Модернизация электрических сетей на строительных объектах

Аварии системы энергоснабжения неизбежны практически на любом объекте и рано или поздно решать эту проблему придется. Процесс деградации электрооборудования и питающей его сети начинается сразу после их монтажа. На скорость развития этого процесса непосредственно влияют, в частности: влажность, регулярные колебания температуры окружающей среды, загрязнения и пыль, механические повреждения выключателей и контактов, ослабление соединений в конструкции выключателей и передатчиков, повреждения и деградация изоляционных материалов, повреждения корпусов, постепенное высыхание диэлектриков в конденсаторах.

Фото 1
Пример классического трансформатора без масляного охлаждения с расчетным сроком службы 20 лет
Источник: EATON

Старение электрических цепей и их компонентов создает потенциальную опасность аварии в любой системе энергоснабжения, особенно – в современных автоматизированных системах. По истечении изначально предусмотренного изготовителем срока эксплуатации таких систем их вероятные повреждения становятся практически непредсказуемы, и в то же время они, как показывает многолетний опыт, очень часто становятся причиной пожаров в жилых и промышленных зданиях. В связи с этим для обеспечения безопасности и непрерывности энергоснабжения необходима периодическая модернизация его сетей на таких объектах.

Старение электрооборудования и сетей энергоснабжения
Влажность и пыль – издавна два самых больших врага электрооборудования. Кроме того, многие элементы этого оборудования установлены снаружи или в некондиционируемых помещениях, где температура и влажность воздуха практически не контролируются. Тем не менее, нужно помнить, что деградации подвержено и то оборудование, которое размещено в среде, где эти два параметра находятся под постоянным контролем – только в этом случае оно деградирует медленнее и более предсказуемо.
Каждое электрическое устройство стареет с разной скоростью, которая зависит от его качества, проводимых мероприятий по обслуживанию и профилактике и условий работы. В данной статье мы предлагаем рекомендации по выявлению симптомов деградации и износа оборудования. Вероятная длительность жизненного цикла некоторых наиболее распространенных электрических устройств приведена в таблице 1. При планировании модернизации электросети на объекте в первую очередь необходимо определить возраст установленных компонентов сетевой инфраструктуры.

Электроизоляция
В электроприборах и оборудовании наиболее всего подвержена старению и быстрее всего деградирует изоляция. Разного типа изоляционные материалы используются во всех элементах электросетей: в кабелях, трансформаторах, дросселях, предохранителях и выключателях, двигателях, конденсаторах и прочих устройствах. Основным фактором, влияющим на их деградацию, является максимальная температура, в которой работает данное устройство или элементы системы. В связи с этим изоляционные материалы классифицируются именно в зависимости от температуры, до которой они могут нагреваться в процессе эксплуатации и которая не приведет к радикальной утрате ими их изолирующих свойств. Общий принцип гласит, что стойкость изоляционного материала падает в два раза при повышении температуры на каждые 10? С сверх максимальной температуры эксплуатации, предусмотренной для каждого типа изоляции.

Конденсаторы
В сетях электроснабжения со средним и низким напряжением устанавливаются конденсаторы многих типов, исполняющих различные функции, такие как: зашита от превышения напряжения, коммутационные конденсаторы в приводах с регулируемой частотностью, конденсаторы в пассивных и активных частотных фильтрах и защитные конденсаторы в основных распределительных станциях, предохраняющие от внезапных перепадов напряжения.
Наиболее часто конденсаторы применяются для компенсации реактивной мощности, которая в некоторых приложениях достигает даже уровня нескольких кВАр. В таких цепях используются трех- или однофазные конденсаторы в герметичных металлических корпусах, имеющих форму цилиндра или параллелепипеда, с диэлектриком, представляющим собой тонкий слой металлизированного пропилена, впаянный в термостойкую основу. Обычно они снабжены внутренними защитными элементами, обеспечивающими их отключение от сети в случае внутренней аварии. Кроме того, снаружи устанавливаются предохранительные элементы, защищающие от возвратного тока.
Каждая конденсаторная батарея характеризуется собственными потерями на реактивную мощность порядка 0,5 В/кВАр, обусловленными петлей гистерезиса диэлектрика. Эти потери провоцируют нагревание батареи и постепенное высыхание защитного среды, что ведет к снижению способности компенсировать реактивную мощность. В связи с этим производители компенсаторных батарей обычно в качестве среднего срока их службы указывают примерно 150 000 часов непрерывной работы (около 17 лет). Однако нельзя забывать, что после включения в сеть такая батарея зачастую испытывает неблагоприятное воздействие этой сети: различного рода превышения и скачки напряжения и т. п., что значительно влияет на сокращение срока его службы, поскольку реальные условия эксплуатации всегда оказываются намного жестче, чем при лабораторных тестах. Внутренние короткие замыкания в диэлектрике можно обнаружить при измерении напряжения на входе, а снижение компенсации реактивной мощности – замером силы тока, поставляемого в батарею, с использованием накладных амперметров.

Трансформаторы с жидкими диэлектриками
Трансформаторы с жидкими диэлектриками устанавливаются обычно вне зданий, во влагозащищенных корпусах, на бетонных площадках или специальных платформах на столбах. Находящаяся в них жидкость обычно предназначена для двух целей: изоляции между обмотками и заземленным корпусом-баком, а также охлаждения обмоток за счет теплообмена. В современных трансформаторах обычно используются разного рода синтетические, жидкие диэлектрики на основе углеводородов, эфиров или растительных масел. В трансформаторов предыдущего поколения обыкновенно использовались минеральные масла.
Знать об этом довольно важно, поскольку в устройствах такого рода быстрее всего деградирует именно изолирующая жидкость, что обусловлено попаданием внутрь влаги, появляющихся на обмотках так называемых коронных разрядов (краткосрочные разряды между обмотками в жидкости, выделяющие растворяющиеся в жидкости газы), неоднородностью и регулярным нагреванием и охлаждением, ведущим к изменению физических характеристик.
При соблюдении правил сервисного обслуживания трансформаторов, проведении надлежащего тестирования и своевременной замене изолирующей жидкости, эти устройства могут бесперебойно работать даже более 30 лет.

Компактные выключатели низкого напряжения
Компактные (сверхтоковые) выключатели повсеместно используются в цепях энергоснабжения низкого напряжения. Они состоят из двух основных элементов, изнашивающихся в процессе эксплуатации: медные контакты и пружинный отключающий механизм. Контакты изнашиваются за счет истирания поверхности и небольших электрических разрядов, возникающих при смыкании и размыкании цепи.
В очень больших выключателях контакты являются заменяемыми элементами. С бегом времени пружинный механизм выключателя разлаживается, что приводит к увеличению времени выключения по сравнению с номинальными показателями, указываемыми производителем в описании продукта. Сами пружины скорее не утрачивают свою пружинистость и предусмотренную силу воздействия, однако их эффективность ограничивается таким фактором как смазка, которая с течением времени утрачивает свои свойства, замедляя действие механического устройства.
На рисунке 1 видно, что временные показатели сверхтоковых выключателей представляют собой полосы, между которыми должны располагаться значения, присущие выключателю при работе. Смещения точек, описывающих работу выключателей, могут быть вызваны их старением или износом. Если при периодическом тестировании обнаруживаются значительные отклонения от указанных параметров, то такой выключатель необходимо заменить.

Рис. 1. Характеристики выключателей, сообщаемые их производителями, как правило имеют вид полос – полей, в которых указаны параметры работы определенных типов выключателей

 
Выключатели цепей низкого и среднего напряжения
Выключатели для сетей низкого напряжения доступны при значениях силы тока до 6000 А и напряжении до 600 В. Выключатели для среднего напряжения охватывают область напряжений до 35 кВ. Обыкновенно эти устройства собираются в жестком корпусе, монтируемом на шинах в распределительных щитках. В качестве диэлектрика, разделяющего контакты, по которым проходит ток, используется воздух, а гашение дуги происходит в деионизационных камерах. Подвижные стыки заменяемы. Функция выключения реализуется за счет натянутой пружины, отпускаемой электромагнитом, который, в свою очередь, контролирует электрическое устройство, позволяя изменять время притяжения, ведущего к выключению цепи и вести мониторинг кратковременных притяжений в цепи.
Контакты, по которым проходит фазный ток, состоят из так называемых основных контактов и контактов искрения, которые открываются последними, после отключения главных контактов. Обычно контакты искрения легко заменяемы. Как и в компактных выключателях, контакты изнашиваются прежде всего в результате истирания и микроповреждений при включении и выключении, а уровень их износа можно легко контролировать при помощи микроомометра. К примеру, хороший выключатель для тока 4000 А и напряжения 480 В должен иметь сопротивляемость сомкнутых контактов на уровне 30 мОм. Эффективный способ контроля за качеством контактов – это также тепловидение – изображение в красном свете.
Особого внимания и профессионального обслуживания требует также механическая часть выключателей этого типа. Например, чрезмерное давление на контакты может привести к их изгибанию и, со временем, размыкание. В свою очередь, слишком слабое давление провоцирует короткие микроразряды, нагревающие контакты и ведущие к обжиганию их поверхности. Важно периодически хорошо смазывать механические части выключателей, что значительно продлевает срок их службы. Большинство производителей рекомендует использовать для смазки как деталей, по которым проходит ток, так и всей механики выключателей, так называемые красные масла. В процессе эксплуатации такое масло высыхает и вытекает, что ведет к затиранию подвижных элементов и замедление отклика выключателей. В результате это может привести к так называемому «залипанию» контактов выключателя, которые уже не удается разъединить или время разъединения достигает нескольких или даже нескольких десятков секунд. Это означает полный выход выключателя из строя и необходимость его замены. Именно поэтому так важно вести периодический контроль, смазка и тестирование механики выключателей.
Грамотное обслуживание и профилактический контроль может принципиально повлиять на увеличение срока их службы. В связи с этим обычно выключатели низкого и среднего напряжения не считаются элементами, нуждающимися в замене, при планировании обновления сети энергоснабжения, если только о необходимости такой замены не свидетельствует дополнительное тестирование или данные элементы просто-напросто технологически устарели.

Вакуумные выключатели среднего напряжения
В вакуумных выключателях среднего напряжения основные рабочие контакты находятся в стеклянных вакуумных тубах. Теоретически в подобных устройствах прерывание тока в цепях должно происходить в рамках одиночного цикла, однако на практике оно занимает два или три цикла. Вакуум, в котором находятся контакты, ограничивает влияние вредоносных разрядов при отключении, благодаря чему рабочие контакты должны иметь более длинный срок службы. Поскольку дополнительные заменяемые обжигаемые контакты отсутствуют, при износе рабочих контактов необходима замена всего модуля контактов и стеклянных вакуумных туб.

Фото 2. Существующий комплект выключателей (слева) был заменен комплектом выключателей нового типа, адаптированных к существующей конструкции, что позволило избежать модернизации всей системы выключателей в распределительном шкафу после удаления старых элементов
Источник: Schneider Electric

Сам рабочий механизм по своей конструкции очень похож на решения, применяемые в классических (воздушных) выключателях. Важным фактором, влияющим на срок службы, является надлежащее смазывание и сервисное обслуживание. Однако, как показывает многолетняя практика, срок службы вакуумных выключателей мало отличается от срока службы выключателей классических.

Классические трансформаторы и дроссели (без масляного охлаждения)

Классические малые трансформаторы повсеместно используются для питания ламп и иных одно- или трехфазных приемников тока низкого напряжения. Катушки дросселей, в свою очередь, устанавливаются в силовых цепях для ограничения возвратных токов с целью защиты подключенного к сети оборудования. Они используются также в высокочастотных фильтрах и цепях постоянного тока DC в инверторных приводах старого типа. Обычно они имеют изоляцию с пропиткой, которая плотно примыкает к обмоткам модуля. Первыми симптомами ее износа являются темные пятна на обычно светло-желтой поверхности изоляции. Эти пятна появляются в результате выделения тепла из обмоток. Со временем изоляция крошится, становится ломкой, что, в свою очередь, позволяет влаге проникать вовнутрь, а это ускоряет процесс деградации. В результате возникают пробои и замыкания между обмотками, что равнозначно полному выходу устройства из строя.
Предположительный срок службы модулей этого типа – около 25 30 лет. На данный момент для них по-прежнему не разработан достоверный метод определения степени износа и возможного срока исправного функционирования. Практика замены модулей применяется только при аварии.

Монтаж кабелей среднего и низкого напряжения
Для неспециалиста в монтаже электрических систем кабели и провода кажутся, пожалуй, совершенно простыми. Обычно это некий вид проводника, чаще всего – меди, реже – алюминия, покрытый соответствующим слоем изоляции, и иногда дополнительно защищенного еще покрытием, предохраняющим его от механических повреждений. Однако при более внимательном знакомстве с данной темой обнаруживается, что производство кабелей и сигнальных проводов в наше время является одной из наиболее высокоразвитых и специализированных ветвей энергетической отрасли. Ведь именно кабели и провода являются наиболее подверженными воздействию разрушающих факторов элементами систем энергоснабжения, а их рабочие характеристики могут резко изменяться, например, в результате возникновения воздушных и газовых пузырьков под изоляцией при выделении тепла от протекающих токов, обычно при изменении их интенсивности во времени. В таких пузырьках могут происходить небольшие электрические разряды, которые ведут к разрушению изоляции и самого проводника. Дополнительным фактором, приближающим выход оборудования из строя, может быть погружение кабеля в воду или во влажную среду; вода может проникать в микропоры изолирующего материала, повреждая ее.
Механические измерения износостойкости изоляционного материала не дает возможности оценить ее электрические свойства. Однородность изолирующих слоев определяется тестами HIPOT и замером сопротивления. Полученные таким образом данные позволяют примерно предсказать срок службы кабеля в данной среде, однако не дают гарантии того, что в течение этого времени кабели будут работать с оптимальными параметрами, которые не изменятся во времени.
Между проводником и изоляцией могут образовываться пузырьки газа, в которых возникают разряды, ионизирующие этот газ. В результате этого процесса пузыри увеличиваются, и это позволяет оценить возраст кабеля при помощи акустической спектроскопии. Увеличение пузырьков непосредственно приводит к истончению изоляционных слоев и снижению защищенности кабельных жил. Предельная толщина изоляции, считающаяся допустимой при полной эксплуатации кабеля, указывается производителем по результатам соответствующего тестирования.

Электромагнитные реле защиты
Реле защиты старого типа, обеспечивающие защиту от скачков напряжения и перегрузок, конструировались в опоре на принцип индуктивных дисков или цилиндров, работа которых зависела от стабильности балансировки алюминиевого диска или цилиндра. Это вело к тому, что они совершенно не оправдывали себя в случаях механической вибрации. Кроме того, они требовали точной регулировки зазора в рабочих катушках, а также настройки положения подвижных контактов относительно неподвижных. Большую часть срока своей эксплуатации такие реле были неактивны, активизируясь только при аварийных ситуациях. В связи с этим их срок службы, заявленный как 30 лет, в реальности в значительной степени зависел от того, сколь часто возникали аварийные ситуации.
Развитие микропроцессорных технологий привело к тому, что модули этого типа стали массированно оснащаться электронными контроллерами с электронными переключателями, характеризующимися значительно большей надежностью и устойчивостью к внешним механическим вибрациям. Кроме того, на современных промышленных предприятиях такие передатчики должны быть совместимы с передовыми системами мониторинга и сбора данных, поэтому в них инсталлируются коммуникационные модули, дающие возможность вести мониторинг и передачу сведений о параметрах работы, что практически исключает возможность использовать конструктивно устаревшие электромагнитные модули. Это значит, что при планировании модернизации систем энергоснабжения эти реле, особенно – старые их модификации, обязательно должны быть включены в список оборудования, подлежащего замене.

Приводы с регулируемой частотой и аварийные питающие устройства ИБП
Как инверторные приводы, так и аварийные питающие устройства ИБП, являются сложными многомодульными устройствами, состоящими из таких элементов как: интегральные схемы, интегрированные электронные схемы, конденсаторы, катушки индуктивности, микроконтроллеры и т. д. Каждый из этих элементов имеет индивидуальные свойства и параметры, обуславливающие особенности эксплуатации и срок службы. Может показаться, что модульная конструкция позволяет увеличить срок службы таких электрических устройств за счет возможности замены или ремонта отдельных узлов. Однако обычно оказывается, что степень изношенности этих узлов и вероятность возникновения аварии зависит от повреждения компонента, который нельзя заменить, в связи с чем необходима и оправданна замена всего устройства.
За последние сорок лет технология инверторных приводов претерпела значительные изменения, а сами эти устройства стали функционально и конструктивно очень современными. Раньше для управления мощностью и аналоговыми силовыми цепями в инверторах применялись кремниевые диоды, тиристоры и запираемые GTO тиристоры. В современных системах используются биполярные транзисторы с изолированным затвором и другие подобные элементы силовой электроники, для которых свойственны более низкие потери мощности и более короткое время переключения. В свою очередь, силовые цепи и цепи управления оборудованием ИКТ получают питание от современных в функциональном и технологическом смысле модулей ИБП, а информирование обслуживающего персонала осуществляется посредством цветных светодиодов и жидкокристаллических дисплеев. Большинство этих устройств имеет модульную структуру, позволяющую заменять отдельные компоненты.

Электрические двигатели
Электрические двигатели повсеместно считаются самыми износостойкими электрическими устройствами. Однако следует помнить, что они имеют вращающиеся детали, питаются от электричества, и подвержены повреждениям электрического или механического характера. Первые из них чаще всего происходят из-за повреждения изоляции, в результате перенапряжения или короткого замыкания. Механические повреждения, в свою очередь, как правило, возникают из-за смещения оси вала или из-за неравномерного износа подшипников.
Причиной повреждения изоляции может служить термический износ, загрязнение, вибрация, ведущая к растрескиванию, перенапряжения, возникающие в момент переключения двигателя. В фазе разгона двигателей между витками обмоток возникает дополнительное магнитное поле, вызывающее механическое воздействие, провоцирующее истирание изоляции обмоток, которое ведет к уменьшению срока службы. У нового двигателя сопротивление его изоляции находится на уровне 34 кВ для устройств с напряжением питания 4 кВ, но в процессе эксплуатации этот показатель довольно быстро может понизиться до уровня, при котором возможен пробой между обмотками, что приведет к дальнейшему разрушению изоляции и самих обмоток. После двадцатилетнего срока эксплуатации двигателя риск возникновения таких повреждений очень высок. Помимо этого, частое включение и выключение двигателей и конденсаторных батарей приводит к скачкам напряжения и тока в силовой сети. Если такой скачок достигнет обмоток двигателя, то витки, находящиеся в непосредственной близости к точке входа силовой линии будут подвергнуты большему износу, чем те, что находятся дальше.
Как оценить состояние изоляции внутри двигателя? Методы однозначно определяются стандартом IEEE 43, который касается проверки сопротивления изоляции вращающихся машин. Этот стандарт рекомендует три типа проверок: тест сопротивления изоляции (IR), тест индекса поляризации (PI) и тест испытания на скачок (ST).
Первый из них (IR) дает информацию об общем состоянии всей изоляции относительно заземления, не оценивая при этом качество изоляции между обмотками или между отдельными цепями фаз питания двигателя. Второй тест (PI) основан на испытании обмоток действием высокого постоянного напряжения в течение десяти минут. Значение индекса PI на уровне 2,0 и более говорит об очень хорошем состоянии изоляции. График зависимости силы тока от приложенного напряжения должен представлять собой прямую линию. Любые резкие переходы или преломление на этом графике однозначно указывает на повреждения изоляции. Последний из упомянутых тестов (ST) фактически является единственным говорящим о состоянии изоляции непосредственно между витками обмоток и обмотками разных фаз.
Механические повреждения двигателей связаны, главным образом, с износом подшипников. Неравномерность износа происходит благодаря так называемому процессу гофрирования   поступлению тока вовнутрь вала двигателя поперек кольца подшипника. Мягкая магнитная асимметрия на обоих концах вала приводит к появлению наведенного напряжения, благодаря которому, в свою очередь, возникает течение тока в замкнутой цепи, создающейся между валом двигателя, двумя подшипниками и статором. Для того, чтобы избавиться от этого явления, необходимо заизолировать один из подшипников.
В вале двигателя также наводится электростатическое напряжение, связанное с электрической емкостью между ротором и статором. Это напряжение приобретает большое значение в двигателях, работающих с инверторами, из-за суммарного напряжения высокой частоты, производимого при широтно-импульсной модуляции. В таких ситуациях помогает изолирование соответствующих элементов подшипников   таких, как смазка или масло между шариками подшипника и кольцами. Такая изоляция блокирует течение вредоносных токов.
Напряжения электростатического происхождения, как правило, больше, чем те, которые возникают в результате электромагнитной индукции, и вполне могут привести к повреждению изоляции в подшипниках, что может вести к образованию небольших разрядов и искрения. Эти явления, в свою очередь, повреждают движущиеся поверхности колец и шариков, вызывая асимметрию и повреждение подвижной системы. Чтобы предотвратить это, следует использовать дополнительное заземление обоих подшипников и дополнительно заземлять вал двигателя с помощью щеток заземления. В последнее время предлагаются кольца заземления из микроволокна. Для них свойственна большая износоустойчивость, а само заземление гораздо более надежно, чем в случае уже упомянутых щеток.

Статья под редакцией доктора инженера Анджея Ожадовича, Краковская Горно-Металлургическая Академия

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *