ОПОРНО-СТЕРЖНЕВЫЕ ИЗОЛЯТОРЫ: преимущества и недостатки полимерных материалов
Стержневые фарфоровые изоляторы являются одним из основных элементов коммутационных аппаратов и другого электрооборудования распределительных устройств, от надежной работы которых зависит качество и бесперебойность поставок электроэнергии, а нередко жизнь и здоровье обслуживающего персонала.
Использование силикатного фарфора для изготовления опорно-стержневых изоляторов (ОСИ) подорвало веру производителей электрической энергии России в отечественные фарфоровые изоляторы. В РФ эксплуатируется более 2 млн. шт. изоляторов серии ИОС старых типов в составе разъединителей и шинных опор 110-500 кВ.
В соответствии с «Техническими требованиями на изоляторы керамические опорные на напряжение свыше 1000 В повышенной надежности для поставок в электро — и атомную энергетику», разработанными РАО «ЕЭС России», было начато создание нового поколения модернизированных ОСИ с повышенной надежностью работы в эксплуатации.
Новые «Технические требования» устанавливали:
• на вновь разрабатываемую или модернизированную продукцию выпуск технических условий и согласование их с потребителями;
• применение материала керамического электротехнического подгруппы 120 (высокоглинозёмистого материала) ГОСТ 20419-83 взамен подгруппы 110 (кварцевого фарфора);
• исключение применения серого чугуна для изготовления арматуры изоляторов;
• обязательное проведение испытаний изоляторов на надёжность.
Весомым аргументом в пользу безотказного применения модернизированных ОСИ является многолетний опыт эксплуатации изолятора ИОС-110-1250 М УХЛ1, в конструкции которого с момента его «рождения» был применен высокопрочный чугун при изготовлении фланцев и высокоглинозёмистый материал для изоляционной части изолятора. На протяжении всего времени изготовления ИОС-110-1250 М УХЛ претензий от потребителей по качеству изоляторов не было.
ОАО «ЭЛИЗ» первыми в России в 2001 году освоил выпуск модернизированных изоляторов ИОС-110-600 М УХЛ1, ИОС-110-400 М УХЛ1 и провёл испытания в известных испытательных центрах России: НИИПТ, ФГУП ВЭИ им. Ленина и ВНИИЭ.
В последующие годы в 2003 году ОАО «ЭЛИЗ» освоило изоляторы ИОС-110-1250 М УХЛ1, в 2005 году — ИОС-110-2000 М УХЛ1 и ИОС-110-2000 М-01 УХЛ1 и усовершенствовал конструкцию изоляторов ИОС-110-600 М УХЛ1, ИОС-110-400 М УХЛ1 с целью снижения весовых характеристик изоляторов. Снижение весовых характеристик в сравнении с освоенными ранее изоляторами составило в среднем 23 %. Результаты механических испытаний изоляторов облегчённых конструкций, проведенных в процессе проведения испытаний на надежность, не уступали достигнутым ранее результатам.
Перевод изоляторов на надёжные материалы, как для изготовления изоляционной части изолятора, так и для изготовления арматуры изолятора, вернул веру у производителей электроэнергии, как в России, так и в странах ближнего зарубежья, в качество новой продукции.
Все выпускаемые опорно-стержневые изоляторы сертифицированы в системе ГОСТ Р, в органе сертификации «Энергосерт» и по желанию потребителей — в «ЭнСЕРТИКО».
В настоящее время в России стремительно расширяется выпуск и применение полимерных изоляторов.
Число предприятий, выпускающих полимерные изоляторы, в несколько раз превышает производителей фарфоровых изоляторов. Ни для кого не секрет, что производство полимерных изоляторов не требует огромных вложений и помещений, как при производстве фарфоровых изоляторов. Производство полимерных изоляторов можно освоить в небольшой мастерской, тогда как для производства фарфоровых изоляторов нужен завод.
Кажущаяся простота изготовления полимерных изоляторов привлекает многих предпринимателей. Однако не всегда в процессе производства соблюдаются технологические требования, что и приводит к отказам изоляторов в эксплуатации.
Достаточно широкий опыт эксплуатации некерамических изоляторов первого поколения (1970-1985 г.) в целом был не очень благоприятным: наблюдались трек и эрозия защитной оболочки, хрупкий излом стеклопластикового стержня и другие повреждения. Это приводило во многих случаях, как к перекрытиям изоляторов, так и к тяжёлым авариям, в том числе с падением проводов на землю.
В результате произошедших повреждений и аварий многие производители перестали выпускать некерамические изоляторы, а другие фирмы пошли по пути улучшения, как конструкции изолятора, так и технологии их изготовления. Учитывая недостатки конструкции изоляторов и изготовления изоляторов по технологии «шашлычного» оформления рёбер защитной оболочки, многие производители освоили новую технологию изготовления защитной оболочки изолятора — цельнолитое формование за один цикл.
Опыт эксплуатации линейных полимерных изоляторов второго поколения ещё весьма ограничен и не позволяет сделать заключение о показателе надёжности таких изоляторов.
У различных производителей технология изготовления и рецептура кремнийорганических композиций не являются полностью одинаковыми, что делает выбор изоляторов для эксплуатации крайне сложным. Изоляторы различных изготовителей с одинаковыми начальными электрическими и механическими характеристиками могут стать неодинаковыми по надёжности работы через несколько лет старения в условиях эксплуатации.
Под термин «кремнийорганическая резина» попадает широкий набор различных по свойствам материалов вследствие применения различных наполнителей и добавок, используемых при изготовлении материала для защитной оболочки изоляторов. В связи с этим причисление полимерного изолятора к классу «кремнийорганический» ещё недостаточно для гарантии его надёжной работы в эксплуатации, что подтверждается международным опытом эксплуатации таких изоляторов. Действующие нормативные документы на полимерные изоляторы не содержат технических требований к материалам для изготовления составных частей изоляторов, за исключением арматуры, в отличие от нормативных документов на керамические изоляторы.
Несмотря на сравнительно небольшое количество отказов, каждый из них сопряжен с необходимостью замены изолятора.
Наибольшее число отказов связано с «хрупким разрушением» стержня и пробоем изоляторов под оболочкой, а также разрушением стержня от частичных разрядов. Главными причинами, вызвавшими эти отказы, является проникновение влаги через соединение металлического оконцевателя с изоляционной деталью, проникновение влаги через оболочку и перегрев стержня при литье оболочки, вызвавший растрескивание стеклопластика. На отыскание места повреждения линии и проведение восстановительных работ требуется большое количество времени.
До сих пор нет единого мнения о ресурсе полимерных изоляторов и долгосрочной надёжности материалов, используемых при их производстве. Эти вопросы требуют дополнительного изучения, как в лабораторных условиях, так и в реальных условиях эксплуатации.
Бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией в значительной мере зависит, как от качества применяемых изоляторов, так и от правильности их выбора (типа и количества). В случае применения недостаточно качественных изоляторов (например, из-за экономических соображений) заботы по поддержанию требуемой надёжности ВЛ перекладываются на эксплуатирующие организации (МЭС, АО-энерго и др.).
При выборе изоляторов для ВЛ лучше ориентироваться на наиболее надёжные типы изоляторов, которые отвечают принципу «повесил и забыл», то есть требуют минимального объёма профилактических мероприятий и диагностики.
Пока что энергетики с опаской смотрят на массовое применение полимерных изоляторов на линиях напряжением 220 кВ и выше. И для их опасений есть основания. Например, случаи обрыва оконцевателей, имевшие место на линиях напряжением свыше 110 кВ, на линиях 35-110 кВ оконцеватели не отрываются, а только горят.
Объём полимерных изоляторов, установленных на объектах электроэнергетики, составляют около 10 % от общего числа применяемых в России изоляторов.
Вместе с тем в мире наблюдается примечательная тенденция, когда потенциальные потребители на линиях напряжения отказываются от применения полимерных изоляторов как недостаточно надёжных, основываясь либо на собственном опыте, либо на опыте своих коллег.
Полимерные изоляторы так же, как и фарфоровые, обладают рядом недостатков. При этом положительных признаков присутствует все-таки больше у керамических изоляторов. Ниже приводятся основные отличительные признаки фарфоровых и полимерных изоляторов.
| Сравнительная таблица свойств фарфоровых и полимерных изоляторов | |
| Фарфор | Полимеры |
| Характеристика материала | |
| Продукт неорганической химии, химические реакции закончились при t 1300º С, поэтому с течением времени неизменными остаются физические и химические свойства материала | Продукт органической химии, химический процесс не прекращается до полного распада полимеров на мономеры, физические и химические свойства непрерывно изменяются |
| Механическая прочность остаётся неизменной весь срок эксплуатации | Механическая прочность уменьшается при повышенных температурах и из-за старения полимера |
| Солнечная радиация и ультрафиолетовое излучение не оказывает влияние на материал изолятора | Солнечная радиация и ультрафиолетовое излучение увеличивает скорость старения полимера |
| Полная устойчивость ко всем химически агрессивным выбросам промышленных предприятий (за исключением плавиковой кислоты) | Не устойчив к выбросам практически всех металлургических и химических производств |
| Водопроницаемость нулевая (по ГОСТ 26093 фуксиновая проба под давлением — нулевая прокраска) | Материал водопроницаем при разгерметизации (по ГОСТ Р 52082 стойкость к проникновению воды без давления не более 15 мин на 10 мм материала, т.е. изолятор высотой 1000 мм должен прокраситься не быстрее, чем за 25 часов) |
| Негорючий материал | Пожароопасный материал |
| Механические свойства | |
| Не имеет деформации в момент приложения изгибающего усилия | Величина прогиба в момент приложения изгибающего усилия нормируется ТУ на изоляторы и у разных изоляторов может быть разной Это обстоятельство серьёзно осложняет возможность их применения в разъединителях класса напряжения 220 кВ и выше. Опытом эксплуатации уже отмечено, что даже при появлении незначительных повреждений полимерных изоляторов нарушаются электрические характеристики изоляторов, после чего начинается ускоренная стадия старения полимерных изоляторов. |
| Термина «остаточная деформация» не существует | Остаточная деформация, возникшая в момент испытания по предыдущему пункту, должна исчезнуть не более, чем за 5 мин. (ГОСТ Р 52082) |
| Механическая прочность практически не зависит от температуры эксплуатации изолятора | Механическая прочность уменьшается при повышенных температурах и из-за старения полимерных материалов |
| Электрические свойства | |
| Поверхностные электрические разряды не оказывают влияния на материал изолятора | Разряды приводят к появлению треков на поверхности изолятора и, как следствие, к эрозии |
| Электрические свойства изолятора остаются неизменными | Электрическая прочность неизменно уменьшается из-за старения полимерных материалов |
| Пробой изолятора невозможен из-за высоких диэлектрических свойств фарфора | При разгерметизации изолятора возможен пробой, как по внутренней поверхности трубы изолятора, так и по воздушному промежутку полости трубы |
| Эксплуатационные свойства | |
| Большая масса | Низкий вес |
| Хрупкость, возможность боя изоляторов посторонними предметами, в том числе и при транспортировании изоляторов | Относительно более высокая стойкость к актам вандализма, но возможно повреждение защитной оболочки острыми предметами при эксплуатации, при упаковке и транспортировании. Необходимость соблюдения осторожности с целью предотвращения повреждения защитной оболочки при монтаже. |
| Высокая надёжность изолятора обеспечивается стабильностью технологического процесса. Изготовление изолятора кустарными методами невозможно. Имеется наличие надёжных и достоверных методик контроля изоляторов в процессе изготовления и эксплуатации | Несложный технологический процесс и доступность материалов способствуют возникновению мелких фирм-производителей, не всегда обеспечивающих требуемое соблюдение технологии изготовления изолятора. Дорогостоящая диагностика, не всегда выявляющая скрытые дефекты изоляторов. |
| Применение технологии горячего оцинкования и термодиффузионного покрытия обеспечивает срок службы оконцевателей и арматуры в течение срока службы изоляторов. Налажен выходной и входной контроль качества цинкового покрытия | На оконцевателях некоторых изоляторов, несмотря на наличие цинкового покрытия, через 5-10 лет появляются следы ржавчины. Причина — низкое качество защитных покрытий. Сегодня многие изготовители полимерных изоляторов наносят цинковое покрытие не горячим способом, а гальваническим. Проверка цинковых покрытий на оконцевателях изоляторов, демонтируемых с высоковольтных линий, показала, что во многих случаях толщина и равномерность покрытия очень часто не соответствует необходимым требованиям |
Отсутствие опыта эксплуатации полимерных изоляторов при достаточно длительном времени их производства (более 40 лет) говорит не в их пользу: результаты эксплуатации полимерных изоляторов не имеют широкой огласки.
Чепкасов М. В.
Вышегородцева Г. Д.