Dlaczego urządzenia montowane na słupach zawodzą podczas silnych burz

Wprowadzenie

Montowane na słupach rozłączniki obciążenia na napowietrznych liniach dystrybucyjnych wysokiego napięcia zajmują najbardziej nieprzyjazne elektrycznie środowisko w sieci dystrybucji energii - narażone na bezpośrednie uderzenia pioruna, przepięcia falowe z pobliskich uderzeń, strome napięcia impulsowe z linii flashovers oraz połączone mechaniczne i elektryczne naprężenia deszczu, wiatru i zanieczyszczenia, które w warunkach silnej burzy koncentrują się na minutach, a nie godzinach. Wskaźnik awaryjności montowanych na słupach zewnętrznych urządzeń LBS podczas silnych burz nie jest równomiernie rozłożony w całej zainstalowanej populacji: skupia się wokół określonych niedoskonałości projektowych, błędów instalacyjnych i luk w koordynacji ochrony, które sprawiają, że niektóre jednostki są nieproporcjonalnie podatne na uszkodzenia, podczas gdy sąsiednie jednostki na tej samej linii przetrwają identyczne burze bez uszkodzeń. Zrozumienie, dlaczego jednostki montowane na słupach ulegają awarii podczas silnych burz, wymaga oddzielenia czterech różnych mechanizmów awarii - przebicia dielektrycznego zdegradowanej izolacji, awarii koordynacji ogranicznika przepięć, nieodpowiedniej ochrony łukowej podczas usuwania usterek po wyładowaniach atmosferycznych oraz awarii mechanicznej spowodowanej połączonym naprężeniem elektrycznym i środowiskowym - ponieważ każdy mechanizm ma inną przyczynę źródłową, inną strategię zapobiegania i inną sygnaturę rozwiązywania problemów, która określa prawidłowe działanie naprawcze po wystąpieniu awarii burzowej. Dla inżynierów zajmujących się modernizacją sieci, zespołów ds. konserwacji linii dystrybucyjnych i specjalistów ds. ochrony przed łukiem elektrycznym odpowiedzialnych za populacje LBS na liniach napowietrznych wysokiego napięcia, niniejszy przewodnik zapewnia pełną analizę mechanizmu awarii, podstawę norm IEC dla prawidłowej koordynacji ochrony przeciwprzepięciowej oraz ramy rozwiązywania problemów, które identyfikują konkretny tryb awarii na podstawie dowodów po burzy przed określeniem sprzętu zastępczego.

Spis treści

• Jakie są cztery różne mechanizmy awarii, które powodują awarie montowanych na słupach urządzeń LBS podczas silnych burz?
• W jaki sposób awaria koordynacji ograniczników przepięć naraża zewnętrzne urządzenia LBS na uszkodzenia spowodowane przepięciami?
• Jak rozwiązywać problemy z awariami LBS montowanych na słupach po silnych burzach?
• Jakie strategie modernizacji sieci i cyklu życia zmniejszają liczbę awarii LBS montowanych na słupach?

Jakie są cztery różne mechanizmy awarii, które powodują awarie montowanych na słupach urządzeń LBS podczas silnych burz?

Cztery mechanizmy awarii, które powodują awarie montowanych na słupach zewnętrznych jednostek LBS podczas silnych burz, różnią się pod względem mechanicznym i elektrycznym - generują różne sygnatury uszkodzeń, występują w różnych punktach na osi czasu zdarzenia burzowego i wymagają różnych strategii zapobiegania i korygowania. Traktowanie wszystkich awarii związanych z burzami jako równoważnych uszkodzeń spowodowanych wyładowaniami atmosferycznymi skutkuje specyfikacjami wymiany, które odnoszą się do objawów bez korygowania pierwotnej przyczyny.

Mechanizm awarii 1: Podział dielektryczny izolacji zdegradowanej przez zanieczyszczenia

Najczęstszy statystycznie tryb awarii LBS montowanych na słupach podczas burz nie jest spowodowany samym wyładowaniem atmosferycznym - jest spowodowany połączeniem wcześniejszej degradacji izolacji i mokrej warstwy zanieczyszczeń, którą silne opady deszczu osadzają na powierzchniach izolatorów.

Ścieżka degradacji:
Zewnętrzne izolatory LBS gromadzą osady zanieczyszczeń - sól, pył cementowy, cząstki przemysłowe i porosty biologiczne - w ciągu miesięcy i lat eksploatacji. W suchych warunkach warstwa zanieczyszczeń jest rezystancyjna i nie zmniejsza znacząco wytrzymałości dielektrycznej izolatora. Kiedy burzowe opady deszczu zwilżają warstwę zanieczyszczeń, staje się ona przewodząca - przekształcając powierzchnię izolatora ze ścieżki o wysokiej rezystancji w ścieżkę upływu o niskiej rezystancji, która zmniejsza efektywne napięcie przebicia o 30-70% poniżej czystej, suchej wartości wytrzymałości.

Wyzwalacz burzy:
Zmniejszone napięcie przebicia w mokrych, zanieczyszczonych warunkach może być niższe od normalnego napięcia o częstotliwości zasilania na linii - co oznacza, że izolator przepali się przy normalnym napięciu roboczym bez udziału wyładowań atmosferycznych. Częściej zmniejszone napięcie przebicia spada poniżej poziomu przepięć łączeniowych i stanów nieustalonych wywołanych przez linię, które występują podczas burzy, wyzwalając przebicie przy poziomach przepięć, które izolator wytrzymałby w czystych, suchych warunkach.

Podstawa norm IEC:
IEC 60815-1¹ definiuje poziomy skażenia (od a do e) i określa minimalną specyficzną drogę upływu (mm/kV) wymaganą dla każdego poziomu:

Poziom zanieczyszczenia	Opis środowiska	Minimalna odległość upływu (mm/kV)
a - Bardzo lekki	Pustynia, obszary wiejskie o niskim zanieczyszczeniu	16 mm/kV
b - Światło	Rolnictwo, przemysł lekki	20 mm/kV
c - Średni	Wybrzeże (>10 km), umiarkowany przemysł	25 mm/kV
d - Ciężki	Wybrzeże (<10 km), przemysł ciężki	31 mm/kV
e - Bardzo ciężki	Bezpośrednie wybrzeże, zakład chemiczny	39 mm/kV

Montowane na słupie urządzenia LBS zainstalowane z odległościami upływu poniżej wymagań normy IEC 60815-1 dla ich środowiska skażenia będą doświadczać mokrego rozbłysku skażenia podczas każdej silnej burzy - niezależnie od aktywności wyładowań atmosferycznych.

Mechanizm uszkodzenia 2: Przepięcie piorunowe przekraczające wytrzymałość izolacji

Gdy uderzenie pioruna kończy się na linii napowietrznej lub w jej pobliżu, wstrzykuje impuls prądu o stromym czole, który rozprzestrzenia się jako fala podróżna² wzdłuż przewodów linii. Wielkość napięcia tej przemieszczającej się fali w lokalizacji LBS zamontowanej na słupie zależy od prądu udarowego, impedancji udarowej linii i odległości od punktu udarowego:

$U_{surge} = \frac{Z_{line}}{2} \times I_{lightning}$

Dla typowej napowietrznej linii dystrybucyjnej o impedancji udarowej $Z_{line} = 400 \text{ Ω}$ i umiarkowane uderzenie pioruna $I_{lightning} = 20 \text{ kA}$:

$U_{surge} = \frac{400}{2} \times 20,000 = 4,000,000 \text{ V} = 4,000 \text{ kV}$

To teoretyczne napięcie udarowe znacznie przekracza napięcie wytrzymywane pioruna (LIWV) dowolnego sprzętu dystrybucyjnego - ogranicznik przepięć musi zacisnąć to napięcie do poziomu poniżej LIWV sprzętu, zanim dotrze do zacisków LBS.

Warunek niepowodzenia: Gdy ogranicznik przepięć nie zdoła zacisnąć napięcia udarowego poniżej wartości LBS napięcie wytrzymywane impulsu piorunowego³ (LIWV), napięcie impulsowe pojawia się na izolacji LBS. Jeśli napięcie impulsowe przekroczy wartość LIWV, nastąpi przebicie dielektryczne - albo w postaci rozgorzenia na powierzchni izolatora (możliwe do odzyskania), albo w postaci przebicia przez korpus izolatora (niemożliwe do odzyskania, wymagające wymiany).

IEC 62271-103 Wymagania LIWV dla zewnętrznych LBS:

Napięcie znamionowe (kV)	Napięcie wytrzymywane impulsu piorunowego (kV szczytowe)	Wymagany poziom ochrony ogranicznika przepięć
12 kV	75 kV	≤ 65 kV (87% z LIWV)
24 kV	125 kV	≤ 109 kV (87% z LIWV)
36 kV	170 kV	≤ 148 kV (87% z LIWV)
40,5 kV	185 kV	≤ 161 kV (87% z LIWV)

Margines ochronny 87% uwzględnia różnicę napięcia między punktem instalacji ogranicznika a zaciskami LBS - napięcie fali bieżącej na zaciskach LBS jest wyższe niż napięcie resztkowe ogranicznika ze względu na odległość między ogranicznikiem a chronionym urządzeniem.

Mechanizm awarii 3: Niewystarczająca ochrona przed łukiem elektrycznym podczas usuwania awarii po wyładowaniu atmosferycznym

Uderzenia piorunów w linie napowietrzne powodują powstawanie łuków elektrycznych, które muszą zostać przerwane przez system ochrony linii. Jeśli łuk pojawi się na lub w pobliżu LBS zamontowanego na słupie, energia łuku jest odkładana bezpośrednio na zespole styków LBS i izolacji - a zdolność LBS do ochrony przed łukiem decyduje o tym, czy urządzenie przetrwa zdarzenie usunięcia usterki, czy zostanie przez nie zniszczone.

Obliczanie energii łuku:

$W_{arc} = I_{fault}^2 \times R_{arc} \times t_{clear}$

Dla linii dystrybucyjnej 11 kV z prądem zwarciowym 8 kA i czasem zadziałania zabezpieczenia 200 ms:

$W_{arc} = (8,000)^2 \times 0.05 \times 0.2 = 640,000 \text{ J} = 640 \text{ kJ}$

Taka energia łuku - 640 kJ w ciągu 200 ms - jest wystarczająca do zniszczenia zewnętrznego zespołu styków LBS, który nie jest przystosowany do przerywania prądu zwarciowego. Krytyczne rozróżnienie: zewnętrzny LBS jest przystosowany do przerywania prądu obciążenia, a nie prądu zwarciowego. Jeśli łuk prądu następczego po wyładowaniu atmosferycznym wystąpi, gdy LBS znajduje się w pozycji zamkniętej, zespół styków LBS pochłonie całą energię łuku, dopóki zabezpieczenie przedzwarciowe nie usunie usterki.

Szczelina chroniąca przed łukiem elektrycznym: Zewnętrzne urządzenia LBS na liniach dystrybucyjnych są często instalowane bez urządzeń zabezpieczających przed łukiem elektrycznym - przerw łukowych, bezpieczników wydalających lub reklozerów - które mogłyby przekierować łuk prądu podążającego z dala od zespołu styków LBS. W takich instalacjach, każde zdarzenie usuwania awarii po wyładowaniu atmosferycznym odkłada energię łuku bezpośrednio na LBS, kumulując uszkodzenia, które ostatecznie powodują awarię zespołu styków podczas burzy.

Mechanizm awarii 4: Awaria mechaniczna spowodowana połączonym naprężeniem elektrycznym i środowiskowym

Silne burze z piorunami łączą piorunowe naprężenia elektryczne z mechanicznymi naprężeniami środowiskowymi - silnym obciążeniem wiatrem, uderzeniami deszczu, szybkimi cyklami termicznymi wynikającymi z nagrzewania łuku elektrycznego, po którym następuje chłodzenie deszczem, oraz wstrząsem mechanicznym pobliskich uderzeń pioruna przenoszonym przez konstrukcję słupa. Jednostki LBS montowane na słupach z istniejącą wcześniej degradacją mechaniczną - skorodowane mechanizmy operacyjne, pęknięte korpusy izolatorów, zmęczone sprężyny stykowe - ulegają awarii pod wpływem tego połączonego naprężenia przy poziomach obciążenia, które nie spowodowałyby awarii pod wpływem samego naprężenia elektrycznego lub mechanicznego.

Połączona ścieżka uszkodzenia naprężeniowego:

1. Istniejące wcześniej mikropęknięcia izolatora (spowodowane cyklicznymi zmianami temperatury lub uderzeniami mechanicznymi) - niewykryte podczas rutynowej kontroli wzrokowej
2. Deszcz z burzy infiltruje pęknięcie - woda w pęknięciu zmniejsza wytrzymałość dielektryczną ścieżki pęknięcia
3. Napięcie udarowe pioruna pojawia się na izolatorze - zmniejszona wytrzymałość dielektryczna mokrej ścieżki pęknięcia powoduje rozgorzenie wzdłuż pęknięcia
4. Łuk podążający za prądem o wysokiej częstotliwości podgrzewa ścieżkę pęknięcia - rozszerzalność cieplna poszerza pęknięcie
5. Późniejsze chłodzenie deszczem kurczy pęknięcie - zmęczenie mechaniczne powoduje pęknięcie izolatora w miejscu pęknięcia
6. Pęknięcie izolatora powoduje zwarcie międzyfazowe LBS - całkowita awaria urządzenia

Ta ścieżka uszkodzenia wyjaśnia, dlaczego inspekcja po burzy często ujawnia pęknięcia izolatorów, które wydają się być uszkodzeniami mechanicznymi - główną przyczyną jest uszkodzenie dielektryka, które zainicjowało sekwencję pęknięć mechanicznych.

W jaki sposób awaria koordynacji ograniczników przepięć naraża zewnętrzne urządzenia LBS na uszkodzenia spowodowane przepięciami?

Koordynacja ograniczników przepięć jest najbardziej złożonym technicznie elementem montowanej na słupie ochrony odgromowej LBS - i elementem najczęściej wdrażanym nieprawidłowo w projektach modernizacji sieci dystrybucyjnej. Trzy awarie koordynacji ograniczników przepięć, które najczęściej narażają zewnętrzne jednostki LBS na uszkodzenia spowodowane przepięciami piorunowymi, to nieprawidłowe napięcie znamionowe ogranicznika, nadmierna odległość separacji między ogranicznikiem a chronionym sprzętem oraz degradacja ogranicznika, która wyeliminowała margines ochronny bez wywoływania widocznej awarii.

Błąd koordynacji 1: Nieprawidłowa wartość znamionowa napięcia ogranicznika przepięć

Ciągłe napięcie robocze ogranicznika przepięć ($U_{COV}$) należy wybrać powyżej maksymalnego ciągłego napięcia częstotliwości zasilania w punkcie instalacji - w tym tymczasowe przepięcie⁴ (TOV) podczas zwarcia doziemnego w sieciach uziemionych lub uziemionych rezonansowo:

$U_{COV} \geq U_{system_max} \times k_{TOV}$

Dla systemu 33 kV ($U_{system_max}$ = 36 kV) z uziemieniem rezonansowym ($k_{TOV}$ = 1,73 dla pełnego zwarcia doziemnego TOV):

$U_{COV} \geq \frac{36}{\sqrt{3}} \times 1,73 = 36 \text{ kV}$

Powszechny błąd: Określanie ograniczników przepięć na podstawie napięcia znamionowego systemu, a nie maksymalnego ciągłego napięcia roboczego w warunkach TOV. Ogranicznik określony dla $U_{COV}$ = 20,8 kV ($36/\sqrt{3}$) w systemie 33 kV z uziemieniem rezonansowym zostanie doprowadzony do ciągłego przewodzenia podczas zwarcia doziemnego TOV - termiczne przeciążenie i zniszczenie ogranicznika w momencie, gdy jest on najbardziej potrzebny do ochrony odgromowej.

Zdegradowany lub zniszczony ogranicznik zapewnia zerową ochronę - LBS jest narażony na pełne napięcie udarowe bez zacisku.

Błąd koordynacji 2: Zbyt duża odległość między ogranicznikiem a chronionym urządzeniem

Napięcie szczątkowe na zaciskach LBS jest wyższe niż napięcie szczątkowe na zaciskach ogranicznika - różnica jest spowodowana odbiciem fali bieżącej na zaciskach LBS i indukcyjnością połączenia między ogranicznikiem a LBS:

$U_{LBS} = U_{arrester_residual} + 2 \times S \times \frac{dI}{dt} \times L_{connection}$

Gdzie $S$ to stromość czoła fali prądu piorunowego (kA/μs),$dI/dt$ to bieżąca stopa wzrostu, a $L_{połączenie}$ to indukcyjność przewodu między ogranicznikiem a zaciskiem LBS.

Zasada odległości separacji: Napięcie na zaciskach chronionego sprzętu wzrasta o około 1 kV na metr odległości między ogranicznikiem a chronionym sprzętem dla typowej stromości czoła fali piorunowej. Dla zewnętrznego LBS 12 kV z LIWV 75 kV i ogranicznikiem o napięciu resztkowym 30 kV:

$\text{Maksymalna separacja} = \frac{75 - 30}{1 \text{ kV/m}} \times \frac{1}{2} = 22,5 \text{ m}$

Współczynnik 2 uwzględnia podwojenie odbicia fali w terminalach LBS. Ograniczniki przepięć zainstalowane w odległości większej niż 20-25 m od chronionego zewnętrznego LBS zapewniają stopniowo zmniejszaną ochronę - przy odległościach przekraczających 50 m ogranicznik zapewnia znikomą ochronę przed przepięciami piorunowymi o stromym czole.

Błąd koordynacji 3: Degradacja ogranicznika eliminująca margines ochronny

Ograniczniki przepięć z warystorami z tlenków metali (MOV) ulegają degradacji z każdym zdarzeniem pochłaniania energii udaru - poziom ochronny (napięcie szczątkowe przy znamionowym prądzie rozładowania) wzrasta wraz z degradacją bloków MOV, zmniejszając margines między poziomem ochronnym ogranicznika a sprzętem LIWV. Ogranicznik, który został prawidłowo skoordynowany podczas instalacji, może utracić swój margines ochronny po 5-10 latach eksploatacji w obszarze o wysokiej częstotliwości występowania wyładowań atmosferycznych.

Wykrywanie degradacji ogranicznika:

• Pomiar prądu upływu: Rezystancyjny prąd upływu > 1 mA przy napięciu roboczym wskazuje na znaczną degradację MOV - wymagana wymiana ogranicznika.
• Analiza trzeciej harmonicznej prądu: Trzecia składowa harmoniczna prądu upływu > 20% całkowitego prądu upływu wskazuje na nierównomierną degradację bloku MOV.
• Obrazowanie termiczne: Gorące punkty na korpusie ogranicznika wskazują na miejscową awarię bloku MOV - konieczna jest natychmiastowa wymiana ogranicznika.

Przypadek klienta, który demonstruje konsekwencje awarii koordynacji ogranicznika: Kierownik projektu modernizacji sieci w regionalnym zakładzie dystrybucyjnym w Indonezji skontaktował się z Bepto po tym, jak podczas jednej silnej burzy w korytarzu linii napowietrznej 20 kV doszło do awarii siedmiu montowanych na słupach zewnętrznych LBS. Badanie po burzy wykazało, że wszystkie siedem uszkodzonych jednostek znajdowało się na 15-kilometrowym odcinku linii, który został zmodernizowany 18 miesięcy wcześniej - modernizacja sieci zwiększyła napięcie linii z 11 kV do 20 kV, ale zachowała oryginalne ograniczniki przepięć o napięciu 11 kV. Ograniczniki 11 kV miały $U_{COV}$= 8,4 kV - poniżej ciągłego napięcia roboczego linii 20 kV (11,5 kV faza-ziemia). Ograniczniki były w ciągłym częściowym przewodzeniu od czasu modernizacji napięcia, degradując bloki MOV do punktu, w którym nie zapewniały ochrony odgromowej podczas burzy. Bepto dostarczyło zamienne ograniczniki przepięć o napięciu 20 kV z $U_{COV}$ = 17 kV i skoordynował instalację wraz z wymianą wszystkich siedmiu uszkodzonych zewnętrznych jednostek LBS. W kolejnych dwóch sezonach burzowych nie wystąpiły żadne dalsze awarie.

Jak rozwiązywać problemy z awariami LBS montowanych na słupach po silnych burzach?

Rozwiązywanie problemów z awariami LBS montowanych na słupach po burzy musi zidentyfikować konkretny mechanizm awarii na podstawie dowodów fizycznych przed określeniem sprzętu zastępczego - zastąpienie uszkodzonego urządzenia urządzeniem o identycznej specyfikacji bez skorygowania pierwotnej przyczyny spowoduje identyczną awarię podczas następnej burzy.

Krok 1: Ustalenie harmonogramu awarii na podstawie dokumentacji ochrony

Przed zbliżeniem się do uszkodzonego urządzenia należy pobrać zapisy działania przekaźnika zabezpieczającego i dane z rejestratora usterek dla zdarzenia burzowego:

• Czas działania przekaźnika a czas uderzenia pioruna: Jeśli przekaźnik zadziałał w ciągu 1-2 ms od zarejestrowanego uderzenia pioruna, awaria jest prawdopodobnie spowodowana mechanizmem 2 (przepięcie impulsowe) lub mechanizmem 3 (łuk po wyładowaniu atmosferycznym). Jeśli przekaźnik zadziałał kilka minut po rozpoczęciu burzy, bardziej prawdopodobny jest Mechanizm 1 (przeskok mokrego zanieczyszczenia).
• Wielkość prądu zwarcia: Prąd zwarciowy na poziomie lub powyżej poziomu zwarciowego wskazuje na zwarcie śrubowe spowodowane pęknięciem izolatora (mechanizm 4); prąd zwarciowy poniżej poziomu zwarciowego z szybkim zanikiem wskazuje na łuk ulotowy (mechanizm 1 lub 2).
• Ponowne zamknięcie powiodło się/nie powiodło się: Pomyślne automatyczne zamknięcie po usterce wskazuje na przeskok (samoczynne zamknięcie po zgaszeniu łuku); nieudane ponowne zamknięcie wskazuje na trwałą usterkę spowodowaną pęknięciem izolatora lub zniszczeniem zespołu styków.

Krok 2: Ocena dowodów fizycznych w uszkodzonej jednostce

Rodzaj dowodu	Obserwacja	Wskazany mechanizm awarii
Śledzenie powierzchni izolatora	Czarne ślady węgla na powierzchni izolatora, brak pęknięć	Mechanizm 1 - rozgorzenie mokrego zanieczyszczenia
Przebicie izolatora	Otwór w korpusie izolatora, osad węglowy wokół przebicia	Mechanizm 2 - impulsowe przebicie przepięciowe
Pęknięcie izolatora	Czyste lub węglowe pęknięcie, brak śladów	Mechanizm 4 - uszkodzenie mechaniczne spowodowane połączonymi naprężeniami
Zniszczenie zespołu styków	Stopiony lub odparowany materiał styku, erozja łuku elektrycznego	Mechanizm 3 - energia łuku po wyładowaniu atmosferycznym
Stan ogranicznika przepięć	Pęknięta obudowa, przemieszczenie złącza końcowego, osady węglowe	Awaria ogranicznika - przyczyna źródłowa awarii koordynacji
Stan przewodu ogranicznika	Stopiony lub odparowany przewód uziemiający ogranicznika	Ogranicznik zadziałał - sprawdź napięcie resztkowe
Stan sąsiedniej jednostki	Identyczne uszkodzenia na sąsiednich jednostkach	Systematyczny błąd koordynacji - nie pojedyncze zdarzenie

Krok 3: Ocena ogranicznika przepięć

Niezależnie od głównego mechanizmu awarii zidentyfikowanego w kroku 2, należy ocenić stan ogranicznika przepięć na każdym urządzeniu w danej sekcji linii:

1. Kontrola wzrokowa: Sprawdź, czy nie ma pęknięć obudowy, przesunięć końcówek i osadów węglowych - wszelkie uszkodzenia fizyczne wymagają natychmiastowej wymiany.
2. Pomiar prądu upływu: Zmierz rezystancyjny prąd upływu przy napięciu roboczym - wymień każdy ogranicznik z rezystancyjnym prądem upływu > 1 mA.
3. Sprawdź napięcie znamionowe ogranicznika: Potwierdzenie $U_{COV}$ ≥ napięcie robocze między fazą a ziemią, w tym współczynnik TOV - wymienić ogranicznik o zbyt niskiej wartości znamionowej
4. Zmierz odległość separacji: Potwierdź odległość między ogranicznikiem a LBS ≤ 20 m - przenieś każdy ogranicznik przekraczający tę odległość.

Krok 4: Ocena zanieczyszczenia izolatora

W przypadku awarii zidentyfikowanych jako Mechanizm 1 (rozgorzenie mokrego zanieczyszczenia):

1. Pomiar równoważna gęstość złoża soli⁵ (ESDD): Przemyć powierzchnię izolatora wodą dejonizowaną, zmierzyć przewodność wody - obliczyć ESDD w mg/cm².
2. Klasyfikacja stopnia zanieczyszczenia: Porównanie ESDD z poziomami dotkliwości IEC 60815-1
3. Oblicz wymaganą odległość upływu: Zastosuj minimalną odległość upływu IEC 60815-1 dla zmierzonego poziomu zanieczyszczenia
4. Porównaj z zainstalowaną odległością upływu: Jeśli zainstalowana odległość upływu jest mniejsza niż wymagana przez normę IEC 60815-1, należy określić izolatory zamienne z prawidłową odległością upływu.

Krok 5: Specyfikacja sprzętu zastępczego po awarii

Mechanizm awarii	Przyczyna źródłowa	Wymiana Zmiana specyfikacji
Mechanizm 1 - Rozbłysk mokrego zanieczyszczenia	Niewystarczająca droga upływu	Zwiększenie odległości upływu izolatora zgodnie z wymaganiami normy IEC 60815-1 dla poziomu zanieczyszczenia
Mechanizm 2 - Przepięcie impulsowe	Awaria koordynacji ogranicznika	Wymień ogranicznik na prawidłowy $U_{COV}$ ocena; sprawdź odległość separacji ≤ 20 m
Mechanizm 3 - Energia łuku po wyładowaniu atmosferycznym	Brak ochrony przed łukiem elektrycznym	Zainstalować bezpiecznik topikowy lub reklozer przed urządzeniem; określić LBS o klasie ochrony przed łukiem elektrycznym
Mechanizm 4 - Połączone naprężenia mechaniczne	Wcześniejsza degradacja izolatora	Wdrożenie programu kontroli izolatorów; wymiana jednostek z pękniętymi lub uszkodzonymi izolatorami.

Jakie strategie modernizacji sieci i cyklu życia zmniejszają liczbę awarii LBS montowanych na słupach?

Specyfikacja ochrony odgromowej po modernizacji sieci

Każdy projekt modernizacji sieci, który modyfikuje napięcie, trasę lub topologię linii napowietrznej, musi obejmować ocenę ochrony odgromowej dla wszystkich montowanych na słupach zewnętrznych jednostek LBS w korytarzu modernizacji. Ocena musi uwzględniać wszystkie cztery mechanizmy awarii:

Mechanizm 1 zapobiegania - Specyfikacja zanieczyszczenia izolatora:

• Przed określeniem izolatorów zamiennych należy przeprowadzić badanie zanieczyszczenia terenu zgodnie z normą IEC 60815-1.
• Określenie minimalnej drogi upływu na podstawie zmierzonego ESDD - nie na podstawie ogólnej klasyfikacji obszaru.
• Zastosowanie dodatkowego marginesu upływu 20% dla projektów modernizacji sieci, które zwiększają napięcie linii

Mechanizm 2 zapobiegania - Specyfikacja koordynacji ogranicznika przepięć:

• Obliczać $U_{COV}$ wymóg obejmujący współczynnik TOV dla konfiguracji uziemienia sieci
• Należy określić instalację ogranicznika w odległości 15 m od chronionych zacisków LBS - nie w najbliższym dogodnym położeniu słupa.
• Sprawdzić margines ochronny: napięcie resztkowe ogranicznika przy wyładowaniu 10 kA ≤ 87% LBS LIWV

Mechanizm 3 zapobiegania - Architektura ochrony przed łukiem elektrycznym:

• Instalowanie bezpieczników topikowych lub reklozerów liniowych w odstępach nieprzekraczających 5 km na liniach o czasie usuwania awarii > 150 ms.
• Zewnętrzne urządzenia LBS należy dobierać z zabezpieczeniami łukoochronnymi o wartościach znamionowych zgodnych z poziomem zwarcia linii i czasem usunięcia zwarcia.
• Koordynacja działania urządzenia zabezpieczającego przed łukiem elektrycznym z zabezpieczeniem poprzedzającym w celu zapewnienia ograniczenia energii zwarcia przed dotarciem do LBS.

Mechanizm 4 zapobiegania - Specyfikacja integralności mechanicznej:

• Jednostki zewnętrzne LBS należy dobierać o stopniu ochrony co najmniej IP65, aby zapewnić ochronę mechanizmu roboczego w środowiskach o dużym natężeniu opadów deszczu.
• Wymóg przeprowadzania fabrycznych testów ciśnieniowych korpusów izolatorów - a nie tylko kontroli wizualnej - w przypadku urządzeń instalowanych w obszarach o wysokim natężeniu oświetlenia.
• Wszystkie zewnętrzne elementy złączne i sprężyny stykowe w środowiskach przybrzeżnych i przemysłowych powinny być wykonane ze stali nierdzewnej.

Harmonogram konserwacji dla montowanych na słupach zewnętrznych LBS w obszarach o dużym natężeniu oświetlenia

Działalność konserwacyjna	Interwał	Metoda	Kryterium akceptacji
Ocena zanieczyszczenia izolatora	Rocznie (przed sezonem burzowym)	Pomiar ESDD lub równoważny	ESDD zgodnie z klasą IEC 60815-1 dla zainstalowanego prądu pełzającego
Kontrola wzrokowa izolatora	Roczny	Lornetka lub dron do inspekcji	Brak pęknięć, odprysków lub śladów śledzenia
Prąd upływu ogranicznika przepięć	Roczny	Miernik prądu upływu online	Składowa rezystancyjna < 1 mA
Obrazowanie termiczne ogranicznika przepięć	Rocznie (po sezonie burzowym)	Kamera na podczerwień przy napięciu roboczym	Brak gorących punktów > 5 K powyżej sąsiednich faz
Pomiar rezystancji styków	Co 3 lata	Mikroomomierz ≥ 100 A DC	≤ 150% linii bazowej uruchomienia
Kontrola mechanizmu operacyjnego	Co 3 lata	Obsługa ręczna + smarowanie	Płynna praca, prawidłowe wskazanie pozycji
Kontrola po burzy	Po każdej silnej burzy	Pełna widoczność + prąd upływu ogranicznika	Brak uszkodzeń; wymienić uszkodzony element
Wymiana ogranicznika przepięć	Co 10 lat lub po znaczącym przepięciu	Pełna wymiana - nie renowacja	Nowa jednostka z weryfikacją $U_{COV}$ ocena

Podział na strefy występowania wyładowań atmosferycznych w celu dostosowania interwałów konserwacji

Odcinki linii dystrybucyjnych w obszarach o wysokim natężeniu wyładowań atmosferycznych - zdefiniowane jako gęstość wyładowań doziemnych (GFD) > 4 błysków/km²/rok zgodnie z normą IEC 62305-2 - wymagają zwiększonej częstotliwości konserwacji:

• Coroczne czyszczenie izolatorów: W obszarach o wysokim wskaźniku GFD nagromadzenie zanieczyszczeń między corocznymi inspekcjami może być wystarczające do spowodowania mokrego rozgorzenia - czyszczenie przed każdym sezonem burzowym zmniejsza wskaźnik awaryjności mechanizmu 1 o 60-80%.
• Wymiana ogranicznika przepięć co dwa lata: W obszarach o wysokim wskaźniku GFD z > 10 zarejestrowanymi zdarzeniami przepięcia rocznie, degradacja MOV kumuluje się szybciej niż standardowy 10-letni okres wymiany - wymiana co dwa lata utrzymuje margines ochronny.
• Kontrola po burzy w ciągu 48 godzin: Obszary o wysokim wskaźniku GFD doświadczają wielu silnych burz w sezonie - jednostka z uszkodzeniami spowodowanymi przez burzę, która nie zostanie zidentyfikowana i wymieniona przed następnym zdarzeniem burzowym, ulegnie awarii przy zmniejszonej wytrzymałości.

Drugi przypadek klienta pokazuje wartość strategii cyklu życia. Inżynier ds. niezawodności w zakładzie przesyłowym i dystrybucyjnym w Malezji zarządzającym siecią linii napowietrznych 33 kV w obszarze przybrzeżnym o wysokim GFD (GFD = 12 błysków/km²/rok) skontaktował się z Bepto po doświadczeniu 23 awarii zewnętrznych LBS montowanych na słupach w jednym sezonie sztormowym - wskaźnik awarii 4 razy wyższy niż w poprzednim sezonie. Dochodzenie wykazało, że odroczenie konserwacji ze względów budżetowych spowodowało odroczenie corocznego czyszczenia izolatorów i oceny prądu upływu ogranicznika przepięć o 18 miesięcy. W okresie odroczenia, zanieczyszczenie solą przybrzeżną nagromadziło się do poziomów ESDD 2,5× powyżej progu IEC 60815-1 dla zainstalowanej odległości upływu izolatora, a 6 ograniczników przepięć uległo degradacji do rezystancyjnych prądów upływu powyżej 2 mA - zapewniając minimalną ochronę odgromową. Firma Bepto dostarczyła zastępcze ograniczniki przepięć dla wszystkich zdegradowanych jednostek oraz zastępcze izolatory o wysokim współczynniku upływu dla 8-kilometrowego przybrzeżnego odcinka linii. Zmieniony protokół konserwacji - coroczne czyszczenie i ocena ograniczników bez możliwości odroczenia - zmniejszył liczbę awarii burzowych w następnym sezonie do 2 jednostek, obie przypisywane raczej bezpośrednim uderzeniom piorunów niż możliwym do uniknięcia awariom degradacji.

Wnioski

Awarie montowanych na słupach zewnętrznych LBS podczas silnych burz nie są przypadkowymi aktami natury - są to przewidywalne awarie inżynieryjne, które następują po czterech różnych mechanizmach, z których każdy ma określoną przyczynę źródłową, określoną strategię zapobiegania i określoną sygnaturę fizyczną, która identyfikuje mechanizm na podstawie kontroli po burzy. Rozbłysk mokrego zanieczyszczenia na izolatorach o zaniżonych parametrach, awaria koordynacji ogranicznika przepięć spowodowana nieprawidłowym napięciem znamionowym lub nadmierną odległością separacji, zniszczenie energii łuku po wyładowaniu atmosferycznym spowodowane brakiem ochrony przed łukiem oraz połączone naprężenia mechaniczne spowodowane wcześniejszą degradacją wymagają innych działań naprawczych - a wymiana uszkodzonych jednostek na jednostki o identycznych specyfikacjach bez identyfikacji mechanizmu gwarantuje identyczne awarie w kolejnych zdarzeniach burzowych. Określenie odległości upływu izolatora na podstawie zmierzonych danych ESDD zamiast ogólnej klasyfikacji obszaru, weryfikacja ogranicznika przepięć $U_{COV}$ w odniesieniu do rzeczywistego współczynnika TOV dla konfiguracji uziemienia sieci, instalowanie ograniczników w odległości 15 m od chronionych terminali LBS, wdrażanie urządzeń ochrony przeciwłukowej w odstępach czasu zgodnych z poziomem uszkodzenia linii i czasem usuwania awarii oraz wykonywanie protokołu kontroli po burzy w ciągu 48 godzin od każdego poważnego zdarzenia burzowego - jest to kompletna dyscyplina, która przekształca awarię burzową z powtarzającego się obciążenia konserwacyjnego w możliwe do zarządzania i stopniowo zmniejszane ryzyko w całym cyklu życia usługi LBS na zewnątrz.

Często zadawane pytania dotyczące awarii LBS montowanych na słupach podczas silnych burz z piorunami

1. Oficjalna norma IEC określająca dobór i wymiarowanie izolatorów wysokonapięciowych dla środowisk zanieczyszczonych. ↩

2. Zasoby akademickie lub przewodnik inżynieryjny wyjaśniający, w jaki sposób przepięcia piorunowe rozprzestrzeniają się jako fale przemieszczające się po liniach wysokiego napięcia. ↩

3. Przewodnik techniczny lub norma wyjaśniająca obliczanie i testowanie napięcia udarowego pioruna w urządzeniach elektrycznych. ↩

4. Informacje inżynieryjne szczegółowo opisujące przyczyny i obliczenia tymczasowych przepięć w sieciach energetycznych z uziemieniem rezonansowym. ↩

5. Metodologia techniczna i najlepsze praktyki branżowe w zakresie pomiaru równoważnej gęstości osadów soli na izolatorach elektrycznych. ↩