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, арматураоболочка, 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 /.