Неожиданное одиночество

В электрических сетях широко используются аппараты,  обеспечивающие защиту изоляции основного  оборудования от повреждений  при кратковременных повышениях  рабочего напряжения, называемых перенапряжениями, которые могут возникать из-за плановых  и неплановых (аварийных) изменений в схеме сети (коммутационные),  вызванных работой коммутационной аппаратуры или повреждения изоляции электроустановок.  Перенапряжения могут быть следствием воздействия прямых ударов молний в электросетевые объекты или индуктированных, возникающих вследствие разрядов молний, близких к электросетевым объектам. Непредсказуемые в большинстве случаев по времени возникновения, разные по величине и длительности, перенапряжения  бывают достаточно опасны для электрической изоляции оборудования.

Защитные аппараты устанавливают  параллельно защищаемому оборудованию. В нормальном рабочем режиме ток через защитный аппарат должен быть минимальным.  При возникновении на оборудовании  напряжения опасной величины сопротивление защитного аппарата резко уменьшается и через него начинает протекать ток. При этом напряжение на защищаемом  оборудовании определяется падением напряжения на защитном аппарате.

Защитные аппараты прошли  длинный эволюционный  путь: простейший искровой промежуток в начале прошлого века, вентильный разрядник, вентильный разрядник с магнитным  гашением дуги 60-х годов прошлого века и, наконец, наиболее  совершенный — ограничитель  перенапряжений. К началу XXI века вентильные разрядники  практически исчерпали свой технический и моральный ресурс и почти полностью заменяются  на ограничители перенапряжений,  представляющие собой  одну или несколько колонок высоконелинейных сопротивлений из металлооксидной керамики (варисторов), подключаемых к защищаемой цепи без каких-либо последовательно включенных искровых промежутков. При нормальном рабочем напряжении ток через такой ограничитель перенапряжений  обычно не превышает 1—2 мА. Увеличение же приложенного напряжения всего в 2—3 раза вызывает рост тока через ограничитель в десятки и сотни тысяч раз.

Основой современных варисторов,  используемых в ограничителях  перенапряжений, служит оксид цинка (ZnO). Хотя работы над электрическими свойствами керамики на основе ZnO были начаты в России в начале 50-ых годов, толчком к распространению производства варисторов и их применению  в энергетике во всем мире послужили опубликованные в 1971 г. материалы исследований, проведенных в Японии. Многие компании начали производить варисторы,  используя различные наборы легирующих примесей, но наиболее существенные ингредиенты, указанные в статье 1971 г., неизменно остаются среди исходных компонентов.

Основным, практически монопольным  производителем варисторной керамики в России стал Корниловский фарфоровый завод (КФЗ), специализировавшийся ранее на выпуске вентильных разрядников и фарфоровых изоляторов, наладивший к середине 70-х годов промышленный выпуск варисторов диаметром 28 мм и к концу 80-х, — опытно-промышленное производство варисторов диаметром 46 мм. Серийное производство последних, однако, наладить так и не удалось, а к 2000 г. КФЗ, как и многие другие предприятия  на постсоветском пространстве, прекратил свое существование.

К этому времени Завод энергозащитных устройств (ЗЭУ) в Санкт-Петербурге начинает строительство цеха по производству силовых варисторов. Этому способствовали многие обстоятельства: глубокое изучение специалистами завода мирового опыта производства варисторов, желание внедрить в производство собственные  уникальные методики, наличие оборонного заказа, не допускающего использования импортных комплектующих  и, не в последнюю очередь, стремительное падение курса рубля.

Среди наработок особое место всегда занимала не имеющая аналогов  методика прессования варисторов  с применением  ультразвука, которая была основой докторской диссертации технического  директора завода М.А. Красавиной. В диссертации получили развитие идеи профессора С.И. Пугачева.  Эта методика, включая состав и режимы обработки, была разработана в период с 1995 по 1998 г. и защищена рядом патентов. В процессе отладки технологической цепочки накопился немалый опыт программирования характеристик варисторов варьированием состава массы, режимов обжига и параметрами прессования. Для оценки достигнутых результатов в совершенствовании технологии производства и определении  свойств варисторов был создан уникальный комплекс испытательных установок, обеспечивающий возможность  экспериментальной проверки  электрических характеристик в существенно большем объеме, чем это предусмотрено международными и национальными стандартами. Уже в 1999 г. была выпущена партия варисторов со специальными характеристиками  для нужд Министерства обороны. С 2000 г. завод начал серийно выпускать собственные варисторы диаметром 37, 41, 46, 60 и 80 мм — десять тысяч варисторов в первый год, тридцать тысяч — во второй; производство  уверено расширялось. Летом 2005 г. был изготовлен «миллионный» варистор, а уже с 2006 г. завод изготавливает более миллиона  варисторов ежегодно. ЗЭУ производит более ста типов и модификаций ограничителей перенапряжений  во всех видах внешней изоляции для широкого круга задач, более 300 тыс. единиц оборудования  эксплуатируется в настоящий момент в российских  и зарубежных сетях.

Изначально ориентируясь на стандартны  качества, задаваемые ведущими  мировыми производителями, такими, как ABB и Rayсhem, к концу первого десятилетия нынешнего века завод неожиданно оказался в одиночестве на европейской земле. Все варисторные производства  переехали в Индию и Китай. При этом произошло некоторое снижение качества, вызванное, возможно, стремлением удешевить продукцию, и прежде всего путем унификации. В этих обстоятельствах возможности завода по выпуску мелкосерийных партий варисторов с прогнозируемыми, подчас предельными  характеристиками, приобрели  новый смысл, как для глубоких научных исследований, так и для разработки принципиально новой защитной аппаратуры.

Научно-техническая работа на ЗЭУ не ограничивается только варисторной тематикой. Большое внимание уделяется методам диагностики варисторов и ОПН в эксплуатации.

Внедрены новые методики испытаний,  изготавливается контрольная аппаратура, позволяющая получить максимально точную информацию о состоянии ОПН. Запатентовано несколько десятков конструкторских решений в области создания защитных аппаратов на основе ОПН, таких, например, как коробки транспозиции для кабельных линий из сшитого полиэтилена.

Немало сделано и в помощь проектировщикам  и эксплуатационникам — издана серия методических пособий, посвященных проблемам выбора и эксплуатации ОПН в электрических сетях в типовых случаях. Для сложных условий организована система технической поддержки — заинтересованные специалисты имеют возможность получить подробную консультацию, расчет и подбор необходимых параметров ОПН. Кроме того, специалисты завода входят в экспертные советы Холдинга МРСК и ряда крупных нефтяных компаний.

Однако именно уникальный опыт создания варисторов повышенной плотности и малой пористости оказался, как никакой другой, актуален в настоящее время, поскольку еще пять лет назад на заводе начались опыты по применению при ультразвуковом прессовании порошков и добавок наноразмерной крупности, т.е. использование нанотехнологии.

Основной целью методики является создание сверхплотных варисторов большого диаметра, которые не могут быть изготовлены ни одним из известных ныне способов. В 2009 г. в результате многолетних исследований в области подбора высокоадгезивных порошков, специальных режимов прессования на основе расчета колебательных систем для возбуждения ультразвукового поля в прессуемых порошках, подбора температурных режимов обработки  сформованной массы был изготовлен варистор диаметром 123 мм с током пропускной способности 3500 А. Этот реально существующий полупроводник далеко не исчерпывает возможности методики, а скорее подчеркивает правильность выбранного направления.

Следует отметить, что габаритные размеры современных ОПН определяются  во многом свойствами той среды, в которой они работают, т.е. окружающего их воздуха. Появление и все более широкое применение комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ) ставит новую задачу по разработке ОПН для этих устройств. Для защиты изоляции КРУЭ необходимы ОПН с существенно меньшими габаритными  размерами, чем серийно выпускаемые аппараты для обычных электрических сетей. Создание серии таких аппаратов с существенно  сокращенными габаритами за счет совершенствования свойств варисторов введением специально подобранных нанодобавок является  одним из очевидных областей применения нановаристоров. Другие направления — создание сверхмощных ОПН в обычных габаритах для защиты спецобъектов, качественно иные возможности защиты сетей постоянного тока и так далее.

Не исключено, что появление варисторного материала нового уровня даст толчок к созданию принипиально новых аппаратов, не существующих сейчас даже в виде идей, как в свое время появление силовых варисторов позволило создать новый класс защитной аппаратуры — ограничители перенапряжений.

Программа исследований на ближайшие годы включает создание экспериментальной установки и разработку технологии прессования изделий из порошков наноразмерных материалов совместным  воздействием статического механического и ультразвукового полей; исследование физическими методами макро- и микроструктуры, а также химического строения изготовленных по новой технологии оксидно-цинковых варисторов; анализ по результатам комплексных  испытаний эксплуатационных характеристик ОЦВ, изготовленных по новой технологии и многоедругое.

Предполагается создавать нано-размерные композиции на основе оксида цинка путем осаждения гидрооксида цинка аммиаком из водных нитратных растворов, фильтрацией осадка, удалением гидратной воды термообработкой с последующим получением наноразмерных частиц оксида цинка без связанной воды, удаление конституционной воды и получение характеристики  наночастиц с помощью атомносиловой спектрометрии.

Несомненно, уровень и масштаб работ ЗЭУ выходит за рамки одного предприятия и сроки завершения начатых исследований могут быть определенно названы лишь в случае  активного содействия всероссийских  структур, отвечающих за развитие науки и техники.