Полимерные изоляторы. Опыт и перспективы

В целом в комитете 33 СИГРЭ согласовано мнение, что характеристики загрязненных некерамических изоляторов очень существенно зависят от снижения в процессе эксплуатации гидрофобности поверхности защитной оболочки. Это означает, что испытания с искусственным загрязнением должны проводиться при гидрофобности, соответствующей той, что имеется после достаточного времени эксплуатации. Наиболее приемлемая на практике количественная оценка гидрофобности разработана в STRI (Швеция ) / 23 /, однако ещё не имеется общего мнения относительно приемлемого способа воспроизведения состояния поверхности изоляторов в эксплуатации при испытании новых изоляторов. В дискуссии упоминались различные способы от механической обработки до испытаний на старение в пылевых камерах. Восстановление гидрофобности наблюдалось у лучших материалов оболочки, главным образом у кремнийорганики, как находящихся в эксплуатации ( после окончания увлажнений ), так и при лабораторных испытаниях после некоторой паузы после перекрытий. Многие специалисты в то же время отмечают, что даже сверх осторожные испытания новых некерамических изоляторов при искусственном загрязнении и увлажнении в условиях полной потери гидрофобности их наружной поверхности приводит к неплохим результатам благодаря удачной геометрической конфигурации некерамических изоляторов. Поэтому при любых методах испытаний их разрядные характеристики в условиях искусственного загрязнения при одинаковой длине всегда выше, чем у традиционных изоляторов. Для дополнительного использования преимуществ гидрофобности некерамических материалов необходимы дальнейшие исследования. Подробнее вопросы сохранения гидрофобности некерамических изоляторов рассмотрены в разделе 20 нестоящего обзора.

В качестве меры степени загрязнения в районе эксплуатации некерамических изоляторов все участники дискуссии на СИГРЭ - 94 согласились, что в этом случае эквивалентная плотность солевых отложений ( ESDD ), успешно используемая для традиционных изоляторов, не подходит. Прежде всего потому, что этот параметр не учитывает гидрофобный эффект поверхности некерамических изоляторов. Многие специалисты полагают, что существует корреляция между гидрофобностью и поверхностной проводимостью. В любом случае ясно, что опыт с традиционными изоляторами не может быть использован для прогнозирования степени загрязнения в том же районе некерамических изоляторов. В этом отношении должны быть установлены новые зависимости, которые в большой степени определяются видом полимерного материала. Следует отметить большой интерес, проявляемый специалистами рабочих групп МЭК и СИГРЭ, к разработке методики испытаний некерамических изоляторов при искусственном загрязнении. В настоящее время разрабатывается первая редакция соответствующей методики, которая, как известно, отсутствует в стандарте МЭК 1109. При его разработке ( 80 - е годы ) этот вопрос считался неактуальным, но опыт эксплуатации некерамических изоляторов в загрязненных районах выявил большую актуальность этой проблемы.

Вопросы, связанные с полимерными материалами для высоковольтных изоляторов, рассматривавшиеся на СИГРЭ - 94 в комитете15 СИГРЭ “ Изоляционные материалы “, обобщены в специальном докладе / 24 /. Указывается, что разработка методов лабораторных испытаний полимерных материалов для изоляторов наружной установки остается сложной проблемой и до сих пор отсутствует единое мнение по этому вопросу. Основная проблема здесь в том, что испытания, приемлемые для оценки трека и рабочих характеристик керамических или стеклянных материалов, не могут быть просто перенесены на полимерные материалы, где механизмы трекинга и перекрытия другие. Продолжаются разногласия специалистов в отношении методики испытаний с увлажнением, длительности периода несмачивания, дополнительного воздействия ультрафиолетового облучения, необходимости влажных и сухих испытаний на трекингостойкость, типа загрязнения. Указывалось на необходимость наладки лучшего обмена информацией между недавно созданной рабочей группой IEEE, группой 15.06.02 СИГРЭ, которая изучает поведение полимерных материалов в условиях периодического воздействия тумана, и действующими в этой области рабочими группами МЭК. Для комитета 15 СИГРЭ важно лучше понимать механизм ускоренного старения, поскольку это может привести к согласию по испытаниям материалов.

В комитете 15 достигнуто общее мнение о том, что гидрофобность силикона может сохраняться в течение многих лет без каких-либо признаков ограничения срока службы, так как полимеры с низким молекулярным весом, обеспечивающие хорошую гидрофобность, могут диффундировать из объема оболочки на её поверхность. Дискуссия показала . что гидрофобность может ухудшаться погружением в воду на длительные периоды. Отмечалось, что далеко не все кремнийорганические материалы обязательно имеют необходимые гидрофобные характеристики и поэтому материал для применения в изоляторах должен тщательно подбираться. Однако и другие полимерные материалы ( не силиконы ), не обладающие хорошими гидрофобными характеристиками, могут, тем не менее, иметь неплохие эксплуатационные характеристики. Отмечается, что полевые испытания для оценки состояния полимерных материалов, используемых в изоляторах, попрежнему являются областью исследований . в частности, это относится к определению в полевых условиях угла смачивания, как меры гидрофобности. Также было бы желательно иметь возможность оценивать снижение или утрату способности выдерживать напряжение, трекингостойкость и механическую прочность вследствие старения или необычных условий эксплуатации.

Из дискуссии на сессии СИГРЭ - 94 в комитетах 15 и 33 следует . что изоляторы из полимерных материалов за последнее десятилетие значительно улучшились и достаточно широко применяются также в качестве корпусов ОПН /25 - 27/. В настоящее время некерамические изоляторы становятся всё более конкурентноспособными по цене. Именно поэтому нужны дальнейшие работы по согласованию приемлемой методики испытаний полимерных материалов и изоляторов.

Материалы дискуссий в исследовательском комитете 33 СИГРЭ на сессии СИГРЭ - 96 приведены в / 22 /. В настоящее время в этом комитете работает 10 рабочих групп, одна из которых 33. 04 “ Электрическая прочность внешней изоляции, работающей при переменном и постоянном напряжении “ ( руководитель д- р F. Risk, Канада ) занимается некоторыми вопросами работы полимерных изоляторов (старение, подготовка к испытаниям и методы испытаний). Этой группой в настоящее время подготавливается “ Руководство по применению изоляторов разной конструкции в разных условиях загрязнения “. На следующем коллоквиуме в 1997 г. ( Канада ) ИК 33 СИГРЭ в качестве одной из предпочтительных тем назвал дискуссию по сравнительным электрическим характеристикам фарфоровых, стеклянных и полимерных изоляторов при различных загрязнениях их поверхности. На сессию СИГРЭ - 98 ИК 33 выдвинул, как одну из предпочтительных, тему “Характеристики, старение,испытание и области эффективного применения на ВЛ и ПС полимерных изоляторов “.

7. Сообщения комитета 36 МЭК” Изоляторы“ по полимерным изоляторам

Большой интерес представляет пространное интервью с профессором Германом Кёрнером, опубликованное в / 28 /, поскольку автор не только ведущий специалист в Германии по некерамическим изоляторам ( Институт Высоких Напряжений Технического Университета в Брауншвейге ), но с августа 1994 г. является также председателем ТК 36 МЭК “ Изоляторы “. Поэтому в рассматриваемом интервью приводится не только немецкий опыт, но дан также более широкий взгляд на положение в мире с полимерными изоляторами.

Основное количество ВЛ в Германии попрежнему имеет фарфоровую ( в основном длинностержневую ) изоляцию, хотя некерамические композитные изоляторы здесь применяются уже почти 30 лет. Такое положение изготовители и энтузиасты применения некерамических изоляторов объясняют некоторым консерватизмом эксплуатирующего персонала и очень высоким качеством ( надежностью ) немецких фарфоровых изоляторов. Тем не менее в ряде случаев композитные изоляторы оказались незаменимыми. Так, например, перевод ВЛ 245 кВ на 420 кВ мог быть осуществлен только благодаря применению более коротких полимерных изоляторов. Также достаточно широко внедрены в Германии междуфазные композитные распорки между проводами ВЛ, что предотвращает пляску проводов. И всё же, повидимому, главная причина сдержанного отношения к полимерным изоляторам в Германии - их более высокая стоимость по сравнению с фарфоровыми длинностержневыми изоляторами. Отметим, что немецкие кремнийорганические изоляторы Roduflex (б. фирма Rosenthal ) признаются специалистами одними из лучших в мире.

Основные экономические надежды в Германии связаны с возможным применением полимерных изоляторов на ВЛ 123 - 765 кВ, в особенности с новыми опорами, специально разработанными с учетом подвески полимерных изоляторов. В то же время в комитете 36 МЭК считают, что вряд ли найдутся экономически оправданные решения в пользу кремнийорганических изоляторов в средних классах напряжения, но здесь фарфору активную конкуренцию составляют циклоалифатические эпоксидные смолы. Не вызывает сомнения, что полимерные изоляторы могут оказаться незаменимыми в условиях сильного загрязнения, где благодаря их хорошей самоочистке и гидрофобности поверхности не требуется применять чистку и обмыв в эксплуатации. Однако вопрос о сроке службы полимерных изоляторов в районах с сильными загрязнениями остается предметом острой дискуссии, поскольку соответствующий опыт эксплуатации противоречив и настораживает.

В мировой практике последних лет выявилось, что важным стимулом для организации производства полимерных изоляторов является отсутствие необходимости в больших капиталовложениях. Они несопоставимы с затратами на строительство заводов для производства керамических или стеклянных изоляторов. По лицензии от авторитетного изготовителя можно быстро начать производство в любом месте мира. Локальное, местное производство является шансом, который дается только полимерными или композитными материалами. Предполагается создание производств полимерных изоляторов в ряде стран Азии, Африки, Латинской Америки, испытывающих трудности в приобретении традиционных изоляторов.

Как уже отмечалось в настоящем обзоре, одним из важнейших параметров некерамических изоляторов является гидрофобность их наружной поверхности. Она в той или иной мере достигается у всех полимеров, но только силиконовые резины способны передавать гидрофобность на поверхность путём диффузии компонентов с низким молекулярным весом . Некоторые виды EPDМ также способны осуществлять диффузию, но не в такой степени, как силиконы. К сожалению, в настоящее время нет стандартной методики измерения гидрофобности, хотя и предложены метод STRI, метод измерения угла смачивания, метод капель и др., а также отсутствует стандартный метод оценки сохранения степени гидрофобности в процессе эксплуатации. Многие потенциальные клиенты отказываются использовать изоляторы, изготовленные из полимерных материалов, из-за отсутствия стандартов, позволяющих оценить работоспособность изоляторов в эксплуатации. Отметим, что в России действуют ( хотя и требуют дальнейшей проработки ) методические указания по изучению характеристик изоляторов в процессе их эксплуатации. Председатель ТК 36 МЭК достаточно скептически относится к идее использования смеси ЕРDМ ( 80 - 90 % ) и силикона с целью использования преимуществ обоих материалов. Преимущество ЕРDМ в его дешевизне,поэтому рассматриваемая смесь будет заметно дешевле силикона, однако не ясно, какова будет длительная гидрофобность и эксплуатационная стойкость соответствующих оболочек. У силиконовых резин некоторых типов срок сохранения гидрофобности практически бесконечен и это их главное преимущество. У смеси ЕРDM и силикона может оказаться недостаточно материалов с низкомолекулярным весом, диффундирующих наружу, а кроме того могут возникнуть неблагоприятные граничные явления на стыках одного компонента с другим.

Далее в / 28 /отмечается, что репутация изоляторов из циклоалифатических эпоксидных смол ( ЦЭС ) в последние годы несколько пострадала из-за проблем, связанных с проникновением влаги, а также в связи с применением неудачных конструкций. В самое последнее время достигнуты значительные улучшения ЦЭС в отношении стойкости к проникновению влаги, в особенности в результате улучшения состава наполнителя. Поэтому в классе средних напряжений в настоящее время не имеется проблем с расширением применения циклоалифатических материалов. Организация локального производства в небольшом объеме здесь особенно проста. Из ЦЭС уже изготавливаются трансформаторы тока на напряжение 145 кВ ( цельная отливка ), однако это скорее исключение, чем норма. Скорее всего ЦЭС найдут широкое применение при напряжениях 50 - 70 кВ. Однако следует иметь в виду, что с течением времени гидрофобность ЦЭС в эксплуатации под воздействием загрязнения сильно снижается, т.к. этот материал не способен переносить гидрофобность на поверхность из-за отсутствия компонентов с малым молекулярным весом. В развивающихся странах, где трудно строить заводы по производству традиционных фарфоровых или стеклянных изоляторов, производство изоляторов из ЦЭС не потребует значительных капиталовложений. Хотя проблему создания изоляторов из ЦЭС в отличие от силиконов ещё нельзя считать доработанной, применение соответствующих изоляторов непрерывно увеличивается.

Так как большинство изготовителей композитных изоляторов тщательно охраняет секреты применяемых материалов, эти материалы не могут быть стандартизированы, а могут быть стандартизированы только их свойства. Однако из-за политики секретности со стороны изготовителей изоляторов такая стандартизация встречает сопротивление в МЭК, но потребители эту стандартизацию горячо приветствуют. Изготовители же, как правило, хотят, чтобы заказчики на слово верили, что изолятор хороший. Поэтому стандартизация должна быть направлена, как минимум, на сопоставление характеристик данных изоляторов с теми изоляторами, которые длительно и успешно работали в эксплуатации. Например, изготовителям целесообразно использовать тот тип подслоя между силиконом и стеклопластиком, который эффективно зарекомендовал себя на практике.

Говоря о конфигурации полимерных изоляторов, председатель ТК 36 МЭК указывает, что оптимальная форма их ребер определяется условиями эксплуатации. Например, в условиях пустыни целесообразно применять большие юбки с аэродинамическим профилем. В условиях морского побережья желательно иметь защищенную от прямого попадания влаги часть пути утечки.

В заключение своего интервью профессор Кёрнер указывает, что после 25 - летнего опыта путем проб и ошибок композитные изоляторы передовых фирм достигли сейчас состояния высоко технологических изделий. Если использовать соответствующие проверенные материалы и опираться на достигнутый эффективный опыт конструирования и изготовления, то можно изготовить очень хорошие изоляторы.

8. Доклады по полимерным изоляторам на сессии СИГРЭ 1996 г.

Вопросы работы полимерных изоляторов рассматривались на сессии СИГРЭ - 96 в четырех докладах : французском 33 - 304 / 18 /, японском 33 - 301 / 16 /, шведском / 20 / и немецком 33 - 303 / 17 /. В трех докладах ( Франция, Япония, Швеция ) представлены результаты длительных стендовых испытаний изоляторов вблизи морского побережья - на стенде Martiges на французском побережье Средиземного моря ( 50 м от моря, вблизи также крупные промышленные производства ), на стенде Takejama на Японском побережье Тихого океана ( 150 м от моря ), на стенде Anneberg на шведском побережье Балтийского моря. На всех стендах изоляторы длительно ( 6 - 8 лет ) находились под напряжением, периодически ( через каждый час ) измерялись фоновые и пиковые токи утечки. Ниже более подробно рассмотрены результаты исследований на каждом из стендов.

Французский доклад / 18 / обобщает результаты исследований, произведенных совместно французской объединенной энергосистемой ( Electricite de France ) и фирмой Sediver, в настоящее время являющейся крупнейшим производителем не только стеклянных, но и полимерных изоляторов. Исследовались изоляторы с тремя материалами оболочки : ЕРDМ и две модификации кремнийорганической резины ( силикона ). Параллельно с испытанием на стенде изоляторы испытывались в 2 - х испытательных камерах на ускоренное старение ( EdF, Sediver ). Через каждые 1000 часов испытаний в камерах и через каждые 6 - 10 месяцев естественного загрязнения изоляторы демонтировались и определялись их электрические характеристики и физико-химические параметры оболочек. Исследования показали ( на основе сопоставления изоляторов, состаренных на стенде и в камерах ), что коэффициент ускорения старения в лабораторных условиях при принятой методике ( 24 - х часовые циклы при непрерывно приложенном напряжении и чередовании в каждом цикле дождя, нагрева до 50 С, влажности воздуха более 95 %, соленого тумана 7 кг/м³, солнечной радиации интенсивностью 1000 Вт/м² ) оказался равным 15.

Было выявлено значительно более высокое увеличение твердости и шероховатости поверхности у силиконов по сравнению с ЕРDМ ( район установки изоляторов характеризуется очень большой солнечной активностью - 300 дней в году ). Для всех оболочек отмечено необратимое увеличение отношения содержания кислорода к содержанию углерода, большее у ЕРDМ, чем у силиконов. Такое поверхностное окисление материалов в конечном счете способствует снижению гидрофобности поверхности защитной оболочки. Класс гидрофобности поверхности изоляторов оценивался по известной методике STRI / 23 / при искусственном увлажнении демонтированных со стенда и из камер изоляторов. Во время испытаний все изоляторы значительно ухудшили свою гидрофобность в результате действия частичных дужек, влажности, солнечной радиации и т.д. Для ЕРDМ после испытаний наблюдалось очень медленное и неполное восстановление гидрофобности даже после нескольких недель по окончании испытаний. Напротив силиконы восстанавливали основную часть своей первоначальной гидрофобности уже через неделю, даже в тех случаях, когда она была существенно утрачена при испытаниях. После длительного прекращения воздействий, способствующих старению, все силиконовые изоляторы полностью восстановили свою первоначальную гидрофобность. Были получены несколько различные результаты ускоренного старения в камерах EdF и Sediver. Авторы доклада объясняют это недостаточно жесткой унификацией методики соленого тумана в стандарте МЭК 1109 при испытаниях на старение и рекомендуют привести эту методику в соответствии с рекомендациями стандарта МЭК 507.

В целом испытания на стенде Martiges не обнаружили существенного старения ни изоляторов с оболочкой из ЕРDМ, ни изоляторов с кремнийорганическими оболочками ( кроме слабой эрозии), что авторы доклада объясняют хорошей стойкостью к старению полимерных изоляторов нового поколения. Некоторые признаки старения на стенде и в камерах выявили только тонкие физико-химические методы исследований - сканирование электронным микроскопом, измерение шероховатости и твердости защитных оболочек, фотоэлектронная и инфракрасная спектроскопия, определение класса гидрофобности.

Были зарегистрированы токи утечки существенно большие на ЕРDМ, чем на силиконе ( и на стенде, и в камерах ). При этом на всех полимерных изоляторах токи утечки были намного ниже, чем на эталонной гирлянде стеклянных изоляторов. Испытания в камере показали, что при соленостях 7 и 80 кг/м³ удельные разрядные напряжения новых и состаренных полимерных изоляторов примерно равны и намного ( до 1,5 раз ) выше, чем у керамических изоляторов. Примерно одинаковые удельные разрядные характеристики в соленом тумане имеют новые и состаренные на стенде и в камерах изоляторы с оболочками из ЕРDМ и кремнийорганической резины. Тем не менее после длительного нахождения в условиях интенсивного естественного загрязнения ( район расположения стенда Martiges соответствует III степени загрязнения по стандарту МЭК 815 ) полимерные ( ЕРDМ, силиконы ) изоляторы существенно ( более чем в 2 раза ) снизили свои влагоразрядные характеристики ( в чистом тумане ) по сравнению со своим первоначальным состоянием (у силиконовых изоляторов разрядные напряжения на 10 - 20 % выше, чем у ЕРDМ ). При этом эквивалентная плотность солевого отложения ЕSDD после длительного пребывания в естественных условиях у изоляторов из ЕРDМ и силикона была примерно одинаковой. Удельная поверхностная проводимость слоя загрязнения у естественно загрязненных изоляторов из ЕРDМ составила 2-3 мкСм, а у кремнийорганических изоляторов 0,6-1,3 мкСм

В японском докладе / 16 / сообщается об исследованиях на стенде изоляторов с оболочками из кремнийорганической резины и EVA . Ежемесячно производился демонтаж изоляторов со стендов и определение на них ESDD. Средняя величина ESDD по результатам примерно 102 измерений ( 1987 - 1995 гг. ) оказалась практически одинаковой на фарфоровых, кремнийорганических и этилен-винилацетатных изоляторах и составила около 0,01 мг/см². Регулярное измерение тока утечки выявило, что у силиконовых изоляторов они оказались более низкими и наблюдались реже, чем на фарфоровых изоляторах, тогда как изоляторы с оболочками из EVA были по этому показателю практически сопоставимы с фарфоровыми изоляторами. Существенного старения ( трекинга или эрозии ) и перекрытий полимерных изоляторов на стенде ( удельная длина пути утечки около 2 см/кВ ) не наблюдалось, хотя на поверхности силиконовых изоляторов (в большей степени,чем у изоляторов с оболочкой из EVA) появились большие белые участки ( “ мелование “ ). Вся остальная поверхность изоляторов, в том числе кремнийорганических, оказалась покрытой достаточно толстым сплошным, практически равномерным слоем загрязнения.

Во второй части рассматриваемого японского доклада сообщается о разработке нового метода искусственного загрязнения полимерных изоляторов, позволяющего хорошо воспроизвести загрязняемость полимерных изоляторов в естественных условиях. Обычные методы искусственного загрязнения, применяемые для традиционных изоляторов по стандарту МЭК 507 ( погружение и обливание ), на новых полимерных изоляторах не позволяют получить равномерный сплошной слой загрязнения, наблюдаемый в естественных условиях. Были отвергнуты пескоструйные методы обработки поверхности изоляторов и методы добавления смачивающих агентов. Новый метод искусственного загрязнения полимерных изоляторов включает в себя следующие этапы : набрызгивание мельчайших капель воды на гидрофобную поверхность изолятора, по возможности равномерное напыление порошка “ Тоnоко “ на поверхность изолятора через сито, естественная сушка изолятора, смыв отложившегося порошка струёй воды, погружение изолятора в суспензию загрязняющего вещества, вынимание изолятора из суспензии и сушка. На изоляторах, искусственно загрязненных по предложенной методике, было исследовано влияние на разрядные напряжения полимерных изоляторов таких факторов, как плотность тумана, время после загрязнения до испытания, плотность солевого отложения, плотность нерастворимого загрязнения. Авторы японского доклада на СИГРЭ - 96 полагают, что результаты проведенных ими исследований смогут внести вклад в стандартизацию метода испытаний полимерных изоляторов при искусственном загрязнении.

Изучению длительного старения изоляторов с оболочками из КО - резины и ЕРDМ в условиях естественного ( морского ) загрязнения посвящен шведский доклад / 20 / на сессии СИГРЭ - 96. На стенде Anneberg исследования проводились с начала 80 - х годов и результаты исследований полимерных изоляторов первого поколения, имевших на стенде много повреждений,изложены в докладе на сессии СИГРЭ - 90 / 29 /. Начиная с 1987 г. по 1995 г. включительно, на стенде под напряжением 132 кВ исследовались изоляторы нового поколения с примерно одинаковой длиной пути утечки ( 370 + 10%) см и удельной длиной пути утечки 1,5 - 1,7 см/кВ. Непрерывно измерялись токи утечки по поверхности изоляторов и регистрировались погодные условия, оценивалось состояние их поверхности, включая гидрофобность, которая определялась по методике STRI. Для физико-химического анализа состояния поверхности изоляторов использовалась электронная, инфракрасная и сканирующая спектроскопия. Район испытания изоляторов находится в 10 км от морского побережья в сельскохозяйственном регионе Швеции. Растворимая часть загрязнения на изоляторах - поваренная соль, приносимая с моря, в особенности при сильных ветрах со стороны моря ( 8 - 10 м/с ). Изоляторы поставлялись на стенд бесплатно изготовителями из разных стран мира и подвешивались на опытной ВЛ длиной 180 м на высоте 17 м от уровня земли. Каждый тип испытуемого изолятора подвергался не только электрическим воздействиям, но и устанавливался также и без напряжения на открытой площадке.

Все изоляторы с оболочкой из кремнийорганической резины вели себя на стенде удовлетворительно, 2 изолятора с оболочкой из ЕРDМ были перекрыты при морских солевых штормах и демонтированы. Гидрофобность кремнийорганических изоляторов была очень высокой ( на всех испытывавшихся изоляторах 2 - й класс гидрофобности по / 23 / ). Все изоляторы с оболочками из ЕРDМ в значительной степени потеряли свою гидрофобность после длительного пребывания на стенде, а некоторые из них стали полностью гидрофильными. Однако лучший из изоляторов из ЕРDМ восстановил свою гидрофобность почти полностью и имел очень малые токи утечки. Изоляторы из КО - резины оказались менее гидрофобны на нижней части ребер и на стержне ( эти части затенены ), а из ЕРDМ более гидрофобны на нижней стороне ребер и полностью гидрофильны на их верхней поверхности. Таким образом выявлено, что на степень гидрофобности влияет не только материал изоляторов, но и их конфигурация.

Исследования статистики токов утечки на полимерных изоляторах позволили разбить диапазон токов утечки на пять классов и связать эти классы с состоянием поверхности изоляторов : 1 - менее 0,5 мА, непрерывный фоновый ( без пиков ) ток утечки, дужки на поверхности изоляторов отсутствуют, наличие на поверхности небольших подсушенных зон ; 2 - 0,5-1,0 мА, попрежнему фоновый ток с небольшими пичками, малое искрение на поверхности изоляторов, практически неразличимое невооруженным глазом ; 3 - 1 - 5 мА, заметные импульсы тока утечки, соответствующие небольшим дужкам ( искрению ) на поверхности изоляторов, видным невооруженным глазом ; 4 - 5 -25 мА, импульсы тока утечки, на поверхности изоляторов видны развитые частичные дужки ; 5 - более 25 мА, импульсы тока утечки, при которых дужками может перекрываться несколько ребер изолятора. Интересно отметить, что хотя на кремнийорганических изоляторах импульсы тока утечки наблюдались реже и были меньше по амплитуде чем у ЕРDМ, при солевых штормах даже на КО - резине зарегистрированы импульсы тока утечки более 85 мА. Это показывает, что проблема работы при загрязнении существует и у полимерных изоляторов, длительно сохраняющих высокую гидрофобность своей поверхности.

Исследования с привлечением физико-химических методов анализа показали, что на срок службы кремнийорганических изоляторов в условиях сильных загрязнений кроме прочих хорошо известных факторов большое влияние имеет количество и тип наполнителя в материале защитной оболочки. Сканирование электронным микроскопом выявило невидимым глазом микро- трещины и другие повреждения на ЕРDМ и практически отсутствие их на КО - резине. Подробные данные о конструкциях изоляторов, исследованных на стендах в / 16, 18, 20 / не приводятся, но можно сделать вывод, что у подвесных полимерных изоляторов, предназначенных для работы в сильно загрязненных районах, применяются чаще всего ребра с переменным вылетом и расстоянием между ними 3 - 4 см.

Немецкий доклад / 17 / подготовлен германскими изготовителями изоляторов и руководителем ТК 36 МЭК “Изоляторы “. В этом докладе подробно рассмотрены некоторые структурные особенности оболочек изоляторов из КО - резины ( силиконов ), успешно работающих на ВЛ в Германии с 1967 г., в том числе в условиях интенсивного загрязнения. Подчеркивается, что КО - резины охватывают большое число различных по характеристикам полимерных материалов на основе силоксанов, отличающихся химическим составом ( формулами ), процессами вулканизации, материалом наполнителей и других добавок. Особо отмечается, как и во многих других сообщениях, что только силиконы способны восстанавливать свою поверхностную гидрофобность после её временной утраты, например, после перекрытия дугой. Кроме того, силикон способен передавать водоотталкивающие свойства слою загрязнения на поверхности изоляторов. Это приводит к очень низким токам утечки в условиях увлажненного загрязнения.

Авторы доклада указывают, что неправильно классифицировать силиконы, как это часто делается, только по температуре их вулканизации, т.к. сам механизм вулканизации тоже может быть различным. По температуре вулканизации силиконы в Германии делятся на три класса, обычно указываемые в публикациях по кремнийорганическим изоляторам :

RTV - вулканизация при комнатной температуре ;

LTV - вулканизация при низкой температуре ;

HTV- вулканизация при высокой температуре. Механизм вулканизации изготовители применяют различный : конденсационный - RTV ( литьё под давлением ), аддитивный - RTV ( литьё под низким давлением ), LTV ( литьё под давлением ), HTV ( литье под высоким давлением, экструзия ), полимеризационный - HTV ( литье под высоким давлением, экструзия ). Высокая вязкость эластомера достигается только при вулканизации методом HTV. Отметим, что в различных дискуссиях на международных конференциях в последнее время неоднократно высказывалось мнение, что только КО-изоляторы, изготовленные методом HTV, не имеют заметных признаков старения в эксплуатации.

Для повышения прочности на разрыв и отрыв в силиконовые резины обычно вводится кремнийорганическая кислота. При этом высокая эластичность и упругость силиконов почти не зависит от температуры вулканизации. В рассматриваемом докладе обобщены основные физико-химические характеристики типичных силиконов. Сильная связь Si - О гарантирует высокую термостойкость, высокое сопротивление силиконов воздействию окружающей среды, озона, УФ излучения и короны. Преимуществом связи Si - О, сходной со структурой кварца или стекла, является то, что при обгорании материала оболочки ( например, при искрении подсушенной зоны ) образуется непроводящий слой. Чаще всего силиконы наполняются тригидратом алюминия, в результате чего ( при оптимальном соотношении кремнийорганика / наполнитель ) улучшается сопротивление материала оболочек трекингу и эрозии. Особенность гидрофобных свойств силиконов связана с характерной только для них диффузией из массы полимерной оболочки на её поверхность низко -молекулярных групп, состоящих из нескольких молекул полиметил - силоксана. В современных полимерных изоляторах, в частности, изготовливаемых в Германии после 1979 г., количество низкомолеку -лярных компонентов достаточно для восстановления поверхностной гидрофобности в течение всего требуемого срока службы изоляторов. Многие исследователи признают, что рассматриваемый механизм передачи гидрофобности,проверенный во многих работах на подвесных изоляторах, имеет практически ничем не ограничиваемый срок действия . Например, было проведено сравнительное исследование новых изоляторов и таких же образцов после шестилетней эксплуатации. У новых и демонтированных изоляторов содержание низкомолекулярных КО - компонентов оказалось почти одинаковым, при этом достаточно большое количество низкомолекулярных КО - компонентов оказалось в слое загрязнения демонтированных из эксплуатации изоляторов. Благоприятное воздействие низкомолеку -лярных компонентов столь велико, что даже после полной экстракции их из слоя естественного загрязнения он сохраняет явную гидрофобность при последующем увлажнении. Результаты подробного исследования химической структуры низкомолекулярных компонентов приведены в / 17 /.

Накоплен большой и успешный опыт работы кремнийорганических изоляторов немецкого производства в Германии, Австрии, Канаде,Китае, Египте, Малайзии, Новой Зеландии, Южной Африке, ОАЭ, США, Вьетнаме и почти во всех европейских странах, в том числе на ВЛ постоянного тока + 400 кВ и + 500 кВ ( срок эксплуатации более 10 лет ). В условиях интенсивного солевого загрязнения силиконовые изоляторы, как показал широкий опыт эксплуатации, не требуют обмыва. В Абу - Даби полимерные изоляторы немецкого производства были применены на ВЛ 400 кВ вблизи морского побережья при удельной длине пути утечки 4 см/кВ вместо 5 см/кВ у традиционных изоляторов. Это позволило применить более компактную и легкую изоляционную подвеску без чистки или обмыва. Известны и другие примеры эффективного применения кремнийорганических изоляторов немецких фирм Rosenthal, Hoechst и др. Так ещё в 1977 г. одна ВЛ в Германии была переведена с 275 кВ на 420 кВ без изменения размеров опор с применением асимметричной V - образной комбинированной подвески, состоящей из длинно стержневого полимерного изолятора ( подвесной элемент ) и фарфорового стержневого изолятора ( работающий на сжатие элемент подвески ). В 1994 - 1995 гг. аналогичная конструкция была использована для модернизации двухцепной ВЛ 380 кВ с переводом на счетверенные провода при сохранении размеров опор и полосы отчуждения. Модернизация этой ВЛ ( теперь это двухцепная ВЛ 420 кВ) стала возможной благодаря применению асимметричной V - образной подвески, состоящей из очень короткой вертикальной сдвоенной гирлянды из кремнийорганических изоляторов и диагональной гирлянды с обычными изоляторами. Хотя эта подвеска оказалась на 40 % дороже, чем V - образная гирлянда из традиционных изоляторов, значительно большая экономия была обеспечена благодаря сохранению размеров опор. Кроме того при этом удалось избежать длительной и сложной приёмки новой ВЛ. На другой ВЛ в Германии в 1993 г. обычные фарфоровые длинностержневые изоляторы (4 последовательно включенных изолятора ) были заменены полимерными ( один длинностежневой изолятор ), т.к. в соответствии с ужесточившимися немецкими стандартами на ранее эксплуатировавшихся на этой ВЛ фарфоровых изоляторах нельзя было обеспечить требуемые в настоящее время минимальные расстояния ( длину гирлянды ). Применение на ВЛ полимерных изоляторов позволяет увеличить расстояния не только между проводом и землей, но и между фазами, что приводит к уменьшению напряженности поля и позволяет применить полимерные изолирующие распорки для компактизации ВЛ. Такие распорки из кремнийорганических изоляторов применяются уже более 20 лет. Чаще всего такие полимерные распорки используют не для компактизации ВЛ, а для предотвращения пляски проводов. При этом резко уменьшается количество междуфазных перекрытий.

Опытные образцы полых немецких полимерных изоляторов ( покрышки трансформаторов тока и разрядники, проходные изоляторы ) проходят в настоящее время испытания на ОРУ до 500 кВ. Эти изоляторы в целом имеют такие же характеристики как у соответствующих фарфоровых изоляторов, но кроме того они взрывобезопасны, стойки к загрязнению и имеют малый вес, выдерживают высокие нагрузки на изгиб и кручение, а также сейсмостойки. В последние годы растет интерес к применению на ВЛ в Германии опорных полимерных изоляторов. В Северной Америке большое количество таких изоляторов уже установлено в сетях относительно низких напряжений. Из - за малого веса эти изоляторы могут устанавливаться непосредственно на опорах без траверс. Благодаря применению опорных полимерных изоляторов можно конструировать эффективные компактные ВЛ. Однако опыт эксплуатации полимерных опорных изоляторов на ВЛ при длительных изгибающих нагрузках ещё недостаточен.

9. Некоторые рекомендации рабочих групп СИГРЭ

По наиболее важным вопросам работы полимерных изоляторов создаются рабочие группы СИГРЭ, которые подготавливают соответствующие рекомендации. Так обстояло дело, например, при разработке стандарта МЭК 1109 ( 1992 г. ), который базировался на рекомендациях рабочей группы 10 Комитета 22 СИГРЭ / 30 / или при рассмотренном выше обобщении опыта эксплуатации полимерных изоляторов / 3, 4 /. Ниже рассмотрены подготовленные в последние годы рекомендации рабочих групп СИГРЭ по идентификации хрупкого излома стеклопластиковых стержней / 31 / и по использованию дугозащитных экранов на композитных изоляторах / 32 /.

Как известно, некоторые типы композитных подвесных изоляторов различных изготовителей ( первого поколения ) оказались механически непрочными даже после очень короткого срока эксплуатации, что привело в 1970 - 1980 гг. к ряду серьезных аварий. Эти отказы произошли при механических нагрузках на изоляторы, значительно меньших, чем номинальная, а поверхность разрушения стеклопластика заметно отличалась от наблюдающейся при лабораторных механических испытаниях. Этот вид разрушения, впоследствие получивший название “ хрупкого излома “, был воспроизведен в лабораторных условиях, когда к стеклопластиковому стержню прилагались относительно низкая растягивающая нагрузка и одновременно кислотное воздействие. В / 31 / даны рекомендации по идентификации хрупкого разрушения стеклопластикового стержня композитных изоляторов. Основные визуально наблюдаемые характеристики хрупкого излома стеклопластика : гладкая ( без осколков ) поверхность разрушения, в основном расположенная перпендикулярно оси стержня ( лишь некоторые волокна выступают из смолы ), наличие нескольких одновременно формирующихся по длине стержня плоскостей ( трещин ) разлома, поверхности разрушения чистые, не видно большого числа разрушенных волокон. В отличие от хрупкого излома при обычном разрушении стеклопластика растягивающей нагрузкой видно много разрушенных волокон ( не кристаллических, а белых ), мелких частиц стекла и смолы, а поверхность разрушения находится под углом 45 к оси стержня. Хрупкий излом следует тщательно отличать от нормальных форм разрушения, которые могут выглядеть очень похоже, но имеют совершенно иное происхождение.

В / 31 / описан следующий механизм хрупкого излома . Чаще всего он происходит внутри металлической арматуры изоляторов, где распределение механических напряжений по сечению стержня особенно неравномерно. Трещина, начинающая хрупкое разрушение под действием растягивающей нагрузки, медленно распространяется до тех пор, пока вследствие постепенного уменьшения поперечного сечения стержня механическое напряжение возрастает до достаточно высокого уровня, производящего разрыв волокон. Изучение поверхности хрупкого разрушения с помощью микроскопа обнаруживает “ линии остановки “, где начинаются трещины. Оценка многих хрупких разрушений показывает, что они связаны с низкой механической нагрузкой, медленным распространением трещин, инициацией их на поверхности стеклопластикового стержня. Обязательным фактом, сопровождающим хрупкие разрушения, является наличие контакта со стеклопластиком активных химических веществ, особенно кислотного раствора, т.е. хрупкое разрушение связано с коррозией материала стеклопластика в сочетании с механической нагрузкой. Когда кислота контактирует со стекловолокнами, происходит ионный обмен между кислотой и стеклянной решеткой. Это приводит к повышенным нагрузкам на поверхности стекловолокна, вызывающим спиральные трещины на поверхности стекла. Как известно, стеклопластиковые стержни композитных изоляторов изготавливаются из стекловолокон, размещенных в полимерной смоле. Высокая механическая прочность стержней определяется стекловолокнами. Трещины начинаются в смоле и обычно прекращают свое распространение вблизи стекловолокна. Если кислота достигает стекловолокна ( обычно это происходит вблизи или на поверхности стержня ), волокно разрывается в плоскости распространения трещины. Разрывы происходят постепенно волокно за волокном. Кислота может мигрировать также продольно, вызывая постепенное распространение хрупкого разрушения вдоль стержня. При этом по мере распространения трещины механическое напряжение перед трещиной возрастает и поэтому трещина распространяется всё более быстро. На заключительной стадии, когда скорость распространения трещины достигает скорости звука в стеклопластике, режим разрушения изменяется с хрупкого на нормальный.

Рассмотренное явление хрупкого излома может наблюдаться на композитных изоляторах, подвергающихся обычным атмосферным воздействиям, поскольку некоторые кислоты в различной концентрации могут содержаться в атмосферном воздухе. Азотная кислота может образовываться также на поверхности изолятора при электрических разрядах во влажном воздухе. Опасность хрупкого излома резко возрастает, если ребра защитной оболочки изоляторов повреждаются и обнажают стержень. Особенно чувствительной зоной для излома является место перехода от оболочки изолятора к её концевой арматуре. Здесь применяются материалы с различными коэффициентами теплового расширения и они должны быть соединены между собой так, чтобы избежать проникновения влаги во внутреннюю полость арматуры. Необходимо применять предупредительные меры, чтобы кислотный раствор не мог воздействовать на стеклопластиковый стержень. Рекомендуется использовать типы стеклопластика, обладающие повышенной сопротивляемостью коррозии. Целесообразно проводить испытания с одновременным воздействием растягивающей нагрузки и кислот, что позволяет оценить стойкость стеклопластиковых стержней к химической коррозии. Поскольку при стандартных механических разрушающих испытаниях композитных изоляторов в лабораторных условиях, как правило, наблюдается совсем не тот вид разрушения, который характерен для эксплуатации, в / 31 / рекомендуется разработать стандартную методику испытаний, воспроизводящую эксплуатационные разрушения. Для устранения явления хрупкого излома необходим жесткий контроль материала стержня и выбор конструкции изолятора, предотвращающей проникновение влаги к стеклопластиковому стержню.

В докладе рабочей подгруппы 03. 01. исследовательского комитета 22 СИГРЭ / 32 / обобщена мировая практика применения дугозащитной экранной арматуры на подвесных одноэлементных композитных изоляторах. Защитные экраны применяют по следующим ( одной или нескольким ) причинам : улучшение распределения напряжения по изолятору, в особенности на границах раздела различных материалов ( стеклопластик - оболочка, арматура -оболочка, стеклопластик - подслой и т.д. ) ; снижение напряженности электрического поля в воздухе вблизи оконцевателей изолятора ; защита оконцевателей изолятора от действия силовой дуги ; предотвращение разрядов на подсушенных зонах вблизи оконцевателей изоляторов в условиях загрязнения.

Известно, что хорошие полимерные материалы мгновенно разрушаются при очень высокой напряженности электрического поля. Однако они могут разрушаться и при значительно более низких электрических напряженностях при длительном воздействии напряжения. Обычно это явление объясняется влиянием частичных разрядов внутри воздушных микровключений, возникающих на поверхностях раздела между различными материалами. У композитных изоляторов конструкция концевой арматуры должна быть такой, чтобы напряжение возникновения внутренних частичных разрядов было выше рабочего напряжения ВЛ. Напряженность электрического поля в стержне и оболочке композитного изолятора зависит от конструкции и размеров металлических деталей и от диаметра стержня. Защитные экраны особо важны при малом ( менее 20 мм ) диаметре стержней изоляторов. Критические уровни напряженности могут быть достигнуты не только у конца изолятора, находящегося под напряжением, но и на заземленном конце изолятора. Это связано с тем, что при увлажнении слоя загрязнения могут возникать разряды под первым ребром у нижнего конца изоляторов, в этом случае экранная арматура на заземленном конце изолятора может помочь устранить проблему.

Как правило, экраны рекомендуется применять на изоляторах класса напряжения 220 кВ и выше. В необходимых случаях, как рекомендовано в / 32 /, в лабораторных условиях должны быть проведены испытания с моделированием опоры, провода и линейной арматуры.

Стойкость оконцевателей и защитной арматуры к воздействию силовых дуг зависит от параметров тока к.з. ( амплитуда, длительность и частота повторения дуговых воздействий ), типа и объема металла, используемого для изготовления арматуры, и толщины концевой арматуры . При нагревании оконцевателей током к.з. может произойти выскальзывание стержня или необратимое повреждение оконцевателя. Для изоляторов сравнительно небольших классов напряжения могут использоваться простейшие экраны или рога. По возможности эти устройства должны быть присоединены не к оконцевателям изолятора, а к промежуточным элементам линейной арматуры. Искрение подсушенной зоны у конца изолятора, находящегося под напряжением, способное вызвать эрозию защитной оболочки и выход изолятора из строя даже в районах с незначительными загрязнениями, может быть уменьшено или полностью устранено соответствующим снижением напряженности электрического поля путем применения экранной арматуры.

Положение экранов относительно оконцевателей и ребер изоляторов обычно определяется расчетами электрического поля. В некоторых случаях могут оказаться необходимыми экраны на обоих концах изолятора. Экраны должны обеспечивать отвод дуги от поверхности изолятора таким образом, чтобы опорные точки дуги были расположены не на оконцевателях изолятора, а на защитной арматуре. Для защиты загрязненных изоляторов наиболее целесообразно применение экранов, плотно прилегающих к поверхности изоляторов. Общие рекомендации по применению экранов дать затруднительно, т.к. они зависят от конструкции изоляторов ( особенно от конструкции оконцевателей).

В настоящее время в рабочих группах СИГРЭ ведется разработка документа, регламентирующего методику испытаний некерамических изоляторов при искусственном загрязнении. Отметим также, что в стадии разработки находятся документы МЭК и IEEE по полым композитным изоляторам ( покрышкам ) и по опорным полимерным изоляторам для ВЛ / 33, 34 /.

10. Опыт эксплуатации и некоторые результаты исследований полимерных изоляторов в США

Вопросы применения и исследований некерамических изоляторов в США освещены в многочисленных публикациях, наиболее полные и современные данные приведены в / 14, 37, 38, 39, 40 /. Североамериканский опыт применения полимерных изоляторов является в мире наиболее длительным и обширным, соответствующие данные занимают большую часть рассмотренного в разделе 5 международного обобщения опыта эксплуатации. На этот опыт в основном ссылаются организаторы симпозиумов ( Цюрих - 1995 г., Сингапур - 1996 г. ), призывающие к более широкому применению полимерных изоляторов в различных странах.

Применение композитных изоляторов в США регламентировано национальным американским стандартом / 35 /, а нормы и методы их испытаний национальным стандартом/ 36 /. В настоящее время в США полимерные изоляторы составляют около

20 % от всех вновь устанавливаемых линейных изоляторов. Они особенно хорошо проявили себя в районах с сильными ураганами и в районах с сильными загрязнениями. Однако в эксплуатации в США наблюдается и заметное ухудшение свойств поверхности некерамических изоляторов, подвергшееся подробному обсуждению в американском докладе на сессии СИГРЭ - 94 / 14 /. По данным EPRI причиной 64 % всех отказов некерамических изоляторов в эксплуатации является ухудшение их характеристик в результате старения поверхности ( в 17 % случаев отказы происходят из-за снижения механической прочности изоляторов, в 18 %-электрической, 1 % - вследствие растрелов ). Основные причины старения некерамических изоляторов в эксплуатации по американским данным - солнечная радиация, перепады температуры, влияние загрязнений и влажности. В настоящее время в нескольких исследовательских центрах США ведутся исследования по воспроизведению механизма старения полимерных изоляторов в лабораторных условиях. По данным эксплуатационных наблюдений энергокомпаний США ухудшения начинаются с обесцвечивания и появления шероховатости поверхности, далее происходит ускорение накопления загрязнения, развивается корона и поверхностные разряды. Вследствие этого может произойти эрозия, повреждения и пробой защитной оболочки изоляторов. Опыт эксплуатации в США дает основание расчитывать на расширение успешной эксплуатации полимерных изоляторов в загрязненных районах без применения профилактических эксплуатационных мероприятий, хотя определенные сомнения остаются. В / 14 / рекомендовано осматривать полимерные изоляторы с периодичностью один раз в год ( это достаточно ввиду медленности процесса старения ) и повредившиеся изоляторы заменять. Отмечено, что значительно улучшаются характеристики полимерных изоляторов при использовании экранной арматуры. Наблюдения на ВЛ ночью показали, что при увлажнениях на поверхности некерамических изоляторов всегда имеют место частичные разряды, которые наряду с солнечной радиацией являются основной причиной постепенного ухудшения характеристик полимерных изоляторов.

На симпозиуме в Цюрихе главный инженер крупной американской энергокомпании “ Salt River Project “ (“ SRP ” ), снабжающей электроэнергией около 600 тысяч потребителей в Центральной Аризоне, привел данные об опыте применения некерамических изоляторов / 38 /. На ВЛ компания давно и успешно использует почти исключительно фарфоровые изоляторы. Однако в последние годы конкуренцию им, в том числе по стоимости, составили полимерные изоляторы, имеющие хорошую репутацию у монтажников и эксплуатационников. Они настаивают на увеличении применения некерамических изоляторов вследствие их малого веса, уменьшения проблем, связанных с загрязнением, антивандальных свойств этих изоляторов и т.д. С 1972 г. в SRP успешно эксплуатируются полимерные кабельные муфты на напряжение 12 кВ, а с 1978 г. полимерные изоляторы с оболочками из ЕРDМ и кремнийорганической резины начали применять здесь на ВЛ, в том числе 230 и 500 кВ. Очень хорошо проявили себя полимерные изоляторы в условиях загрязнения на ВЛ 115 кВ вблизи спиртозаводов и ГЭС, где при сбросе воды воздух имеет очень большую влажность. В системе 69 кВ ранее использовались в основном штыревые фарфоровые изоляторы, которые часто разрушались, в особенности при ударных нагрузках на металлических опорах. Надежность эксплуатации в этих условиях удалось существенно увеличить применением на всех опорах ВЛ 69 кВ ( в том числе и на деревянных опорах ) штыревых полимерных изоляторов. В SRP внедрены опорные полимерные изоляторы также на металлических опорах пяти ВЛ 500 кВ. Это было весьма рискованным решением, но уже в течение 18 лет эксплуатации аварий не было. Накоплен положительный опыт эксплуатации подвесных полимерных изоляторов на ВЛ 230 кВ в течение 15 лет. В то же время несколько полимерных изоляторов ( в основном с оболочкой из ЕРDМ ) было демонтировано с ВЛ 230- 500 кВ, так как на них было обнаружено мелование (выделение извести ), хотя в целом изоляторы внешне выглядели хорошо и энергокомпания считает возможной дальнейшую их эксплуатацию. В последние годы энергокомпания почти исключительно применяет изоляторы, изготовленные методом инжекции. Опыт эксплуатации привел компанию к решению применять изоляторы с оболочками только из ЕРDМ и, в первую очередь, из кремнийорганической резины.