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 микротрещины 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 ;

HTVвулканизация 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 низкомолекулярных групп, состоящих из нескольких молекул полиметил — силоксана. В современных полимерных изоляторах, в частности, изготовливаемых в Германии после 1979 г., количество низкомолекулярных 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 низкомолекулярных 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.