В статье приводится обзор разработки и освоения в серийном производстве ограничителей перенапряжений нелинейных для классов напряжения 6–220 кВ на предприятии АО «Энергия+21».
Коростелев Я.Е., начальник отдела перспективных разработок АО «Энергия+21»
В 2021 году на АО «Энергия+21» начато серийное производство нового для предприятия вида продукции — нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН).
АО «Энергия+21» — это одно из самых известных отечественных предприятий в области полимерной электроизоляции. Здесь уже без малого тридцать лет выпускаются полимерные изоляторы всех типов для электрических сетей, накоплен огромный опыт и технические компетенции. Сегодня, с учетом всех разновидностей зацепления для различных классов напряжений, нагрузок (70, 120, 160, 250 кН), степени загрязнения атмосферы, предприятие выпускает более трехсот модификаций линейных подвесных стержневых полимерных изоляторов, более тысячи разновидностей опорных изоляторов, более трехсот наименований железнодорожных изоляторов, более двухсот модификаций проходных и штыревых изоляторов. Поэтому решение об освоении в производстве ОПН стало абсолютно логичным расширением номенклатурной линейки компании.
Проект, актуальность которого наряду с техническими предпосылками определялась и сложившейся рыночной ситуацией, реализован заводом в сотрудничестве с ПО «ФОРЭНЕРГО» и является примером успешной отраслевой научно-технической и финансовой интеграции. Сами по себе нелинейные ограничители перенапряжений для решения задач эффективной передачи и распределения электроэнергии безусловно новинкой не являются. Несмотря на это, появление на рынке нового игрока, имеющего полноценное производство таких изделий, — заметное событие, и, при кажущейся простоте, разработка конструктива и технологии производства ОПН стала достаточно сложной, наукоемкой и ресурсоемкой задачей.
В ходе проведенных опытно-конструкторских работ были тщательно изучены представленные на отечественном рынке конструкции ограничителей. С целью минимизации затрат на ОКР и освоение новой продукции была решена задача по предварительному компьютерному моделированию работы ограничителей в условиях механических воздействий, длительной электрической нагрузки и импульсных перенапряжений. В результате проектирования была разработана унифицированная конструкция, которая позволяет с минимальными изменениями изготовить ограничители напряжений классов от 6 до 220 кВ токов пропускной способности от 300 до 680 А в широком диапазоне длительно допустимых напряжений (рисунок 1).
Работоспособность и качество ОПН определяются двумя составляющими: варисторами, рабочие характеристики которых определяют основную функциональность изделия — способность защищать электрические сети и подключенное к ним оборудование от перенапряжений, и его корпусом, от характеристик и качества которого зависит долговечность и надежность изделия, его способность противостоять любым условиям эксплуатации и сохранять при этом полную «ежесекундную готовность» выполнить свои основные функции в течение всего срока службы.
Разработка надежного корпуса ОПН для специалистов «Энергии+21» и «ФОРЭНЕРГО» особого труда не представляла. ПО «ФОРЭНЕРГО» имеет огромный опыт разработки и внедрения самых современных технических решений в области изоляторов и линейной арматуры, который был успешно применен.
За основу был взят цельнолитой полимерный корпус типа Б, который формируется непосредственно на колонке варисторов, не имеющих значимых газовых полостей и устройств для сброса давления во фланцах. Корпус изготовлен из стеклонаполненного полиамида, который обеспечивает требуемую механическую нагрузку. Геометрия корпуса универсальна для всей производственной линейки ограничителей. Корпус не имеет специальных клапанов для сброса давления, способ крепления фланцев с двойным замковым уплотнением обеспечивает надежную герметичность. Механическая прочность была подтверждена как предварительным моделированием (рисунок 2), так и последующими испытаниями.
А вот разработка, если так можно сказать, «начинки» — основной функциональной части ОПН — представляла собой задачу существенно сложнее и потребовала от обоих участников проекта гораздо больших усилий, проведения массы исследований и испытаний, которые не сразу дали искомый результат. При этом нельзя сказать, что предприятия в этом проекте взялись не за свое дело — у ПО «ФОРЭНЕРГО» имелся значительный опыт в области защиты от перенапряжений. Завод «МЗВА», входящий в Объединение, уже около пятнадцати лет выпускает устройства УЗПН для защиты от перенапряжений ВЛ 6 и 10 кВ, а завод полимерных изоляторов «ИНСТА», также входящий в Объединение, разработал и выпускает различные типы изоляторов с интегрированной системой защиты от перекрытия при перенапряжении на ВЛ. Это позволило при разработке стратегического плана проекта определить основные задачи и направления деятельности по его реализации, разработать четкий, совершенно реалистичный и эффективный план действий, а также обеспечить его всеми необходимыми ресурсами, в числе которых следует особо отметить широкие возможности испытательных центров ПО «ФОРЭНЕРГО», которые, в итоге, были задействованы для проведения всесторонних испытаний и исследований при разработке ОПН, в особенности — испытательного центра завода «ЮМЭК». Такое сотрудничество позволило реализовать проект в беспрецедентно сжатые сроки.
Для успешной реализации проекта по разработке ограничителей перенапряжений требуемого качества необходимо обеспечение специфичными для ограничителей перенапряжений испытательными мощностями. Для этого в рамках проекта был спроектирован и введен в эксплуатацию дополнительный комплекс современного испытательного оборудования. Его возможности позволили на стадии ОКР и последующего освоения на производстве контролировать все важнейшие характеристики ОПН, такие как остающееся напряжение, пропускная способность и рассеиваемая мощность, стабильность рассеиваемой мощности, а также измерять классификационное напряжение и т.п. В состав нового испытательного комплекса, который был размещен на второй испытательной площадке лаборатории АО «ЮМЭК», входит уникальная испытательная установка, позволяющая измерять остающееся напряжение на ОПН до класса напряжения 35 кВ в сборе.
В ходе разработки были проведены: ряд лабораторных исследований по подбору варисторов, отвечающих требованиям по качеству; анализ их свойств; оценка пределов термической стабильности и возможного «старения», а также деградации свойств после приложения токовых импульсов.
Полученные характеристики реальных образцов позволили более точно воспроизвести поведение ОПН при компьютерном моделировании (рисунки 3 и 4).
В АО «Энергия+21» для производства ОПН реализован полный производственный цикл, включающий в себя металлообработку и изготовление металлических комплектующих, формовку полимерных комплектующих, комплектование наборов варисторов по заданным параметрам путем тестирования 100% их количества с применением самого современного измерительного и испытательного оборудования.
Новые испытательные возможности включают в себя:
- измерение классификационного напряжения до 500 кВ;
- измерение остающегося напряжения при приложении токовых импульсов 8/20, 30/60, 1/10 для образцов номинального тока 10 кА, как для отдельных варисторов, так и для ОПН до 35 кВ в сборе;
- испытание на пропускную способность воздействием токовых импульсов 2 мс до 1000 А (2 Кл);
- испытание на стабильность рассеиваемой мощности (испытание на старение) в течении 1000 ч;
- испытание на тепловую устойчивость воздействием импульсами 4/20 до 100 кА.
Использование такого уникального комплекса испытательного оборудования позволило специалистам подтвердить правильность сделанных необходимых расчетов и разработать ограничители перенапряжений с наиболее оптимальными параметрами их функциональной части, а также силовых блоков, конструкция которых гарантирует высокую механическую прочность и надежность ОПН, в том числе при воздействии предельно высоких ветровых нагрузок, вибраций, а также обеспечивает сейсмоустойчивость изделий при землетрясениях силой до девяти баллов. Сегодня испытательный центр, по сути, встроен в технологический процесс, благодаря чему обеспечено полное соответствие требуемым параметрам 100% выпускаемой продукции.
При сборке колонок варисторов технологический цикл предусматривает возможность изготовления корпусов ОПН различной конструкции (полимерных или стеклопластиковых), а также применение по желанию заказчика фарфоровых корпусов, производимых по аутсорсингу. Также имеющееся технологическое оборудование обеспечивает производство кремнийорганических смесей для формовки наружной оболочки ограничителей. На предприятии имеется оснащенная всем необходимым оборудованием лаборатория по испытанию кремнийорганических материалов на соответствие требованиям действующей НТД.
На заводе уделено должное внимание проведению на современном технологическом уровне вспомогательных операций — таких, например, как ультразвуковая очистка контактных частей, маркировка и другие операции. Для маркировки фланцев ОПН применяется лазерная технология — это обеспечивает идентификацию параметров изделий в течение всего срока их службы независимо от условий эксплуатации, что является важным моментом при идентификации ОПН, отработавших установленный срок, для подбора им соответствующей замены.
Для обеспечения максимальной гибкости на складе комплектующих предприятия предусмотрено постоянное наличие запаса колонок варисторов для ОПН со всеми наиболее часто используемыми параметрами ОПН в электрических сетях России напряжением от 6 до 110 кВ. Это позволяет максимально быстро реагировать на заказы покупателей: большинство заказов может быть исполнено в течение нескольких рабочих дней (рисунок 5). Общий неснижаемый запас варисторов и других комплектующих на складах предприятия в сочетании с опытом и возможностями его технологического отдела дает возможность быстро реализовывать и нестандартные запросы энергетиков.
Разработанная и серийно выпускаемая на данный момент в АО «Энергия+21» номенклатура ограничителей перенапряжений имеет самый широкий диапазон параметров как по классу напряжения электрических сетей — от 0,4 до 750 кВ, так и по токам пропускной способности — от 300 до 3000 А. Кроме этого, номенклатура ОПН отличается большим разнообразием модификаций, рассчитанных на различную степень загрязнения, имеющих различные конфигурации крепежных элементов и различные способы установки (в том числе — консольные крепления различного типа и подвесные крепления для всех типов проводов, применяемых на ЛЭП). Также в АО «Энергия+21» выпускаются модификации ОПН с изолированными основаниями, с различными датчиками для учета параметров эксплуатации ОПН и регистрации перенапряжений, включая модификации, которые можно подключать к сетям передачи данных и использовать их в «умных сетях».
Большая часть новой продукции АО «Энергия+21» на классы напряжений от 6 до 220 кВ пропускной способности до 680 А уже аттестована в ПАО «Россети». Ведутся работы по аттестации оставшейся части номенклатуры. Продолжаются работы по расширению номенклатуры в части ОПН для ВЛ и подстанций высокого и сверхвысокого напряжения (150, 220, 330 и 500 кВ), которые планируются к завершению в конце 2022 года.
Системный подход к реализации проекта позволил успешно реализовать все этапы: исследования, разработка, производство и применение ОПН в реальной эксплуатации. Сегодня к новой продукции приковано пристальное внимание специалистов, результат проделанной работы вызывает интерес у представителей различных направлений электроэнергетики. Следует отметить, что комплексно проект включает в себя ряд направлений (рисунок 6), которые планируется реализовать в ближайшем будущем.
Производственное объединение «ФОРЭНЕРГО» и АО «Энергия+21», используя свой огромный опыт и профессиональные знания, успешно реализовали непростой научно-технический и коммерческий проект по запуску серийного производства ОПН. Впереди — опыт эксплуатации и отзывы энергетиков на, надеемся, востребованную продукцию отечественных компаний и, уверены, новые перспективные разработки.
ВЫВОД
В ходе успешной реализации проекта по разработке ограничителей перенапряжений был разработан, освоен в производстве и успешно аттестован ряд устройств для защиты от перенапряжений, обладающих передовыми качественными и технико-экономическими показателями. Опыт разработки и выбранные подходы и методики позволяют в дальнейшем в короткие сроки разработать, освоить и охватить ряд смежных областей и направлений. В перспективе планируется представить потребителю перечень устройств для грозозащиты, позволяющий полностью закрыть все необходимые потребности по обеспечению грозозащиты требуемого качества и функциональных свойств. 
