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.

Опыт эксплуатации в SRP и других энергокомпаниях США показал, что УФ излучение в сочетании с высокой температурой и в присутствии влаги может оказаться решающим фактором для срока службы полимерных изоляторов, эксплуатирующихся в районах с «пустынным «климатом, характерным для SRP. В этих условиях кремнийорганическая резина проявила себя лучше, чем ЕРDМ. В соответствии со стандартом / 36 / стержни изоляторов SRP использует только на эпоксидной или винилэфирной основе, оболочка должна быть изготовлена из кремнийорганической резины (100% силикона до введения наполнителя) и прочно связана со стержнем. Оконцеватели, применяемые SRP, должны изготавливаться в соответствии с нормой ASTM A 153 и закрепляться на изоляторе методом обжатия с обеспечением равномерной передачи нагрузки на поверхность стержня. При этом не допускается какое-либо разрушение стержня внутри оконцевателя, кроме того должно быть обеспечено стабильное уплотнение, предотвращающее попадание влаги внутрь оконцевателя. На изоляторах для ВЛ 230 — 500 кВ устанавливается экранная арматура. В SRP имеются свои технические условия на применение полимерных изоляторов в энергоустановках 69 — 500 кВ, базирующиеся на национальном стандарте / 36 / и стандарте МЭК / 1 /. В технические условия введены также дополнительные требования по испытаниям полимерных изоляторов при искусственном загрязнении (поваренной солью), на трекингоэрозионную стойкость по местной методике, на обмыв полимерных оболочек при высоком давлении, на прочность крепления экранной арматуры полимерных изоляторов ВЛ 500 кВ при приложении вибрационной механической нагрузки. В 1992 — 1993 годах в SRP начали применять полимерные изоляторы не для специальных целей на отдельных опорах и участках, а на ВЛ в целом. Например, на полимерных изоляторах построена ВЛ 500 кВ, 1300 мВт, 412 км (Mead Phoenix Project). В проекте рассмотрена возможность трансформирования этой ВЛ в электропередачу постоянного тока + 500 кВ с использованием полимерных изоляторов.

В последние годы в США расширяется применение на ВЛ горизонтальных полимерных изоляторов. Наиболее подробно этот вопрос рассмотрен в / 39 / на примере опыта другой крупной энергокомпании «Florida Power and Light «(«FPL »). Повышение стоимости получения новых полос отчуждения в плотно заселенных сельскохозяйственных районах Флориды ускорило разработку проектов компактных ВЛ. Ещё в 1960;х годах здесь были спроектированы и введены в эксплуатацию компактные ВЛ 69, 138 и 230 кВ с горизонтальными опорными фарфоровыми изоляторами. Однако из-за механических разрушений этих изоляторов при сильных ветрах и других неблагоприятных условиях в FPL произошло множество очень тяжелых каскадных аварий с падением проводов ВЛ 138 и 230 кВ на землю. При 10 авариях вышло из строя 550 керамических изоляторов с падением провода на землю на трассе длиной 10 миль. По этой причине FPL в 1977 г. построила две опытных ВЛ 138 кВ с 567 опорными полимерными ребристыми изоляторами, рассчитывая на их меньшую подверженность каскадным механическим авариям. В 1982 г. на полимерные изоляторы с использованием стеклопластиковых изоляторов увеличенного диаметра была переведена и одна из компактных ВЛ 230 кВ. Всего с 1982 по 1988 гг. на ВЛ 230 кВ было установлено около 3000 таких изоляторов.

Первоначально на ВЛ 230 кВ были установлены полимерные изоляторы с защитной арматурой, а на ВЛ 138 кВ — без неё. Ребристые оболочки изоляторов были выполнены из EPR. Для снижения вероятности каскадных аварий многие продолжающие эксплуатироваться в FPL горизонтальные фарфоровые изоляторы были покрыты защитной ребристой оболочкой из EPR различных изготовителей. Опыт эксплуатации показал, что на защитном покрытии из EPR, достаточно быстро происходят значительные разрушения под одновременным действием электрических нагрузок (особенно при отсутствии защитной арматуры), ультрафиолетового облучения и солевого загрязнения. Опыт эксплуатации в FPL подвесных полимерных изоляторов / 40 / и ускоренные испытания на старение, проводившиеся FPL, показали, что кремнийорганические изоляторы лучше других полимерных изоляторов пригодны для региона, эксплуатируемого FPL. Также можно было полагать, что конструкция без ребер на кремнийорганической оболочке будет достаточно надежна и экономична. Всем разработчикам опорных полимерных изоляторов в США была дана возможность предоставить чертежи опорных кремний-органических изоляторов на 230 кВ без ребер на защитной оболочке. Один из представленных кремнийорганических изоляторов без ребер был выбран для эксплуатации в FPL на ВЛ 230 кВ. Он более короткий (длина 2,25 м), чем изолятор с ребрами, благодаря повышенным характеристикам кремнийорганической резины в условиях загрязнения. Применявшиеся здесь ранее опорные ребристые изоляторы (длиной 2,4 м) с оболочкой из EPR были снабжены экранирующим кольцом у провода для снижения повреждения от короны, а у кремний-органических изоляторов такой защиты от короны не требуется. В 1989; 1994 гг. компания FPL установила на ВЛ 230 кВ около 6400 кремний — органических опорных изоляторов с диаметром тела 7,6 см. В / 40 / приведены подробные данные, характеризующие большую экономическую выгоду применения на компактных ВЛ (с повышенной пропускной способностью) опорных кремнийорганических изоляторов по сравнению с эквивалентными керамическими изоляторами. Предполагавшееся улучшение работы в условиях загрязнения в результате применения кремнийорганических опорных изоляторов было подтверждено 5-летним опытом их эксплуатации на ВЛ 230 кВ в сильно загрязненном районе без перекрытий. Следует отметить, что по длине пути утечки (5,6 м) примененные изоляторы соответствуют II степени загрязнения по стандарту МЭК 815 / 9 /, хотя район их эксплуатации в FPL соответствует III степени загрязнения (интенсивное морское загрязнение). Высокие характеристики кремнийорганических изоляторов были широко использованы в 1992 г. в FPL при восстановительных работах на ВЛ 230 кВ, поврежденных ураганом.

В настоящее время в FPL разрабатываются новые решения конструктивного выполнения ВЛ, использующие уникальные свойства опорных полимерных изоляторов — высокую прочность на изгиб, способность поглощать ударные и вибрационные нагрузки, обеспечивать необходимый прогиб под механической нагрузкой. Ведется разработка комбинированной методики механических испытаний опорных полимерных изоляторов. Всё это должно позволить получить необходимые экологические и экономические выгоды без снижения надежности энергосистемы.

Вследствие широкого внедрения в эксплуатацию в США некерамических изоляторов необычайна обширна американская научно-техническая литература, посвященная различным аспектам исследований характеристик этих изоляторов. Некоторые, наиболее важные результаты этих исследований приведены в разделах 17 — 20 настоящего обзора.