Испытания некерамических изоляторов при искусственном загрязнении

В последние годы за рубежом все большее внимание уделяется проблеме испытаний некерамических изоляторов при их искусственном загрязнении (ИЗ), как фактору существенно определяющему пригодность изоляторов для эксплуатации в районах с той или иной степенью естественного загрязнения. В значительной мере актуальность этой проблемы вызвана неоднозначным опытом эксплуатации полимерных изоляторов в районах с сильными загрязнениями. Подавляющее большинство результатов исследований в этом направлении опубликовано американскими специалистами. Проблемой искусственного загрязнения полимерных изоляторов в настоящее время занимается рабочая группа СИГРЭ 33. 04, а также две рабочих группы IEEE. Особо важен этот вопрос для некерамических подстанционных изоляторов, у которых теряется преимущество малого диаметра, характерного для композитных линейных изоляторов. В России методика испытаний некерамических изоляторов при ИЗ проработана достаточно глубоко и даже предложены нормы по электрической прочности полимерных изоляторов при ИЗ, включенные в стандарт / 48 /. Разработан также проект соответствующих методик испытаний и норм для опорных полимерных изоляторов. За рубежом нормативных требований ещё не имеется и обширные исследования связаны с поиском наиболее приемлемой методики лабораторных испытаний некерамических изоляторов при ИЗ. В очень многих зарубежных публикациях отмечается, что испытания полимерных изоляторов при ИЗ являются серьезной и полностью ещё не решенной технической проблемой, хотя и имеется ряд заслуживающих внимания предложений.

В естественных условиях эксплуатации под действием климатических факторов и атмосферных загрязнений в течение достаточно длительного времени (не менее 1 года) на полимерных изоляторах образуется установившийся слой загрязнения. Задачей лабораторных испытаний при ИЗ является нанесение за короткое время такого загрязнения, которое :

• — обеспечивает равномерный и воспроизводимый от опыта к опыту по своим параметрам поверхностный слой;
• — по своим физико-химическим характеристикам соответствует загрязнению некерамических изоляторов в естественных условиях;
• — дает возможность нормирования параметров слоя загрязнения (ESDD,), эквивалентных заданным условиям работы изоляторов в эксплуатации.

Известно, что в лабораторных условиях ИЗ плохо прилипает к поверхности новых некерамических изоляторов, загрязнение получается неравномерным (пятнистым), кроме того вследствие гидрофобности их поверхность плохо смачивается при искусственном увлажнении. Поэтому некерамические изоляторы необходимо тем или иным способом подготовить к нанесению ИЗ. По существу это означает, что перед нанесением по возможности равномерного слоя ИЗ поверхность нового некерамического изолятора нужно предварительно искусственно состарить, но при этом обеспечить, чтобы после нанесения загрязнения все параметры поверхностного слоя полимерной оболочки полностью восстановились. Предложено очень много методов быстрого загрязнения некерамических изоляторов, см., например, / 49 — 56 /, но ни один из них не дал полностью приемлемого результата (представляющие большой интерес новейшие японские предложения приведены в разделе 9 настоящего обзора). С другой стороны, метод испытаний при ИЗ после длительного старения в естественных условиях также мало приемлем, т.к. требует значительного времени. При общей оценке предлагаемых методов подготовки надо учитывать, что механические и химические воздействия на поверхность изоляторов не отражают изменения гидрофобности поверхности некерамических изоляторов в естественных условиях, а лабораторные методы, связанные с достаточно длительным циклическим воспроизведением климатических факторов, трудоёмки и более подходят для испытаний на старение.

Для подготовки некерамических изоляторов к испытаниям при ИЗ предлагались следующие способы :

• — предварительная длительная экспозиция изоляторов в действующих электроустановках или на испытательных стендах ;
• — протирка поверхности изоляторов каолином или другим инертным веществом ;
• — протирка поверхности изоляторов различными абразивными материалами при помощи различных приспособлений ;
• — использование пескоструйных устройств или других способов механической обработки ;
• — очистка изоляторов с использованием спирта перед испытанием в чистом тумане ;
• — применение смачивающих веществ (фото-фло, детергенты) ;
• — предварительное покрытие цементом с последующим воздействием чистого или проводящего тумана ;
• — длительная обработка поверхности изоляторов частичными разрядами в чистом или соленом тумане ;
• — циклическое нанесение и смыв предварительного загрязнения с приложением напряжения и без него ;
• — выдержка изоляторов под напряжением с обработкой загрязняющим веществом в воздушном потоке с одновременным увлажнением чистым туманом ;
• — воздействие климатических факторов (солнечной радиации, температуры, влаги, чистого и соленого тумана) и рабочего напряжения ;
• — другие комбинированные методы воздействия на поверхность некерамических изоляторов.

Практически все приведенные методы применяются при испытаниях некерамических изоляторов на искусственное ускоренное старение, откуда они были перенесены на подготовку поверхности изоляторов для обеспечения испытаний при ИЗ, однако полностью положительного результата достичь при этом не удалось. В докладе на СИГРЭ — 94 / 14 / приведены результаты сопоставления эффективности различных способов подготовки поверхности некерамических изоляторов для испытаний при ИЗ. В итоге в качестве наиболее воспроизводимого метода подготовки (при использовании загрязнения способом окунания изолятора в стандартную суспензию) рекомендовано воздействие соленого тумана и солнечной радиации, хотя и этот метод признается недостаточно удовлетворительным.

Важно отметить, как весьма неблагоприятное обстоятельство, что от способа подготовки очень сильно зависят разрядные характеристики изоляторов даже при одинаковых параметрах слоя ИЗ (, ESDD).

Сравнение разных методов искусственной подготовки с состоянием поверхности изоляторов, состаренных в естественных условиях различных районов США, показало, что ни один из методов не дает того состояния поверхности, которое имеет место в естественных условиях. В / 14 / сделан вывод, что наиболее соответствует естественным условиям длительное испытание изоляторов в камере ускоренного старения, но этот метод трудоёмок и не может быть многократно повторен на полномасштабных изоляторах.

Целесообразно особо отметить работу / 54 /, в которой описан метод искусственного загрязнения некерамических изоляторов без значительного изменения поверхности физическими и химическими методами, сходный с японской методикой / 16 /. В основном он заключается в нанесении каолинового порошка на поверхность изолятора перед его загрязнением способами разбрызгивания или окунания по стандартной американской методике / 57 /. В этой же работе показано, что использование стандартного расхода пара (50 г / м³ час), установленного для фарфоровых изоляторов в США при испытаниях методом чистого тумана, приводило к завышенным значениям разрядных напряжений изоляторов с кремнийорганической оболочкой. Значительное снижение разрядного напряжения (примерно в 1,5 раза) получено при больших расходах пара, обеспечивающих лучшую смачиваемость поверхности изоляторов. Это явление, по мнению авторов / 54 /, согласуется с отмеченными перекрытиями в эксплуатации (США) кремнийорганических изоляторов при интенсивных увлажнениях.

Другая серьезная проблема, сопровождающая испытания при искусственном загрязнении — определение времени, необходимого для восстановления поверхностных свойств полимерной оболочки, т. е. интервала времени от загрязнения изоляторов до начала высоковольтных испытаний. Некоторые лаборатории предлагают делать паузу между загрязнением и приложением напряжения от 8 до 24 часов (для восстановления гидрофобности), в других лабораториях испытания проводятся сразу же после загрязнения изоляторов. Чаще всего при испытаниях искусственно загрязненных некерамических изоляторов применяют метод чистого тумана или метод соленого тумана, в основном соответствующие стандарту МЭК / 47 /.

Наиболее приемлемым методом испытаний некерамических изоляторов при ИЗ за рубежом считается метод длительного приложения напряжения в двух альтернативных вариантах :

• — метод чистого тумана, подаваемого на предварительно загрязненные изоляторы, находящиеся под напряжением; при использовании этого метода требуется предварительная подготовка поверхности изоляторов;
• — метод соленого тумана, когда чистые изоляторы включают под напряжение, а затем начинается увлажнение туманом с различным содержанием соли; в этом случае предварительная подготовка поверхности изоляторов, как правило, не требуется.

Быстрые методы чистого тумана и соленого тумана, используемые с целью сокращения времени испытаний / 52 /, дают для некерамических изоляторов ошибочные результаты, т.к. повторные перекрытия приводят к систематическому снижению разрядных напряжений изоляторов вследствие постепенного ухудшения гидрофобности их поверхности, вызванного действием электрических разрядов / 14 /.

Во многих зарубежных публикациях указывается, что разрядные напряжения, полученные в лабораторных условиях при ИЗ, обычно получаются значительно ниже, чем в реальных условиях. Приведение методики лабораторных испытаний в соответствие с эксплуатационными характеристиками загрязненных некерамических изоляторов является пока нерешенной важной исследовательской задачей.

Анализ литературных данных показывает, что на разрядные характеристики некерамических изоляторов при искусственном загрязнении сильное влияние оказывают :

• — тип и содержание ионообразующей составляющей в загрязняющем веществе ;
• — тип и содержание инертной составляющей в загрязняющем веществе;
• — степень неравномерности загрязнения ;
• — время, прошедшее от момента загрязнения до начала испытания ;
• — способ приложения напряжения к загрязненному изолятору ;
• — способы определения характеристик слоя загрязнения (ESDD,)

По всем этим факторам в зарубежной литературе имеются отдельные предложения, но единого согласованного подхода пока не выработано. Ясно лишь, что методы испытаний, применяемые для фарфоровых и стеклянных изоляторов по стандарту МЭК / 47 / для некерамических изоляторов должны быть существенно переработаны. Воспроизводимые результаты испытаний при искусственном загрязнении некерамических изоляторов могут быть получены только при однозначной и жесткой регламентации всех этапов подготовки и проведения испытаний изоляторов. При отсутствии единой методики испытаний (единое загрязняющее вещество, унифицированный метод подготовки изоляторов, один итот же метод увлажнения, одинаковый способ приложения напряжения и т. д.) можно получить существенно разные значения разрядных напряжений изоляторов.

Нерешенной дискуссионной проблемой остается также согласование критерия, по которому возможна наиболее правильная оценка степени загрязнения некерамических изоляторов (как при ИЗ, так и в естественных условиях). Целесообразность применения ESDD для этой цели в настоящее время находится под вопросом, т.к. вследствие гидрофобности поверхности некерамических изоляторов не весь слой их загрязнения участвует в процессе развития разряда (в формировании величины разрядного напряжения). Поэтому использование ESDD может привести к ошибочной оценке опасности загрязнения и к неправильному сопоставлению разрядных напряжений изоляторов различного типа, в том числе некерамических и традиционных.

Впервые за рубежом (в отличие от России) только в последнее время обращено серьезное внимание на удельную поверхностную проводимость, как на степень загрязнения полимерных изоляторов / 14, 54 /. Показано, что этот параметр лучше коррелирует с разрядным напряжением полимерных изоляторов, чем ESDD / 13 /. В настоящее время по рассматриваемому вопросу ведутся в двух рабочих группах IEEE и в рабочей группе 33. 04 СИГРЭ. Можно ожидать, что в качестве общепризнанного критерия для оценки степени загрязнения некерамических изоляторов будет принята удельная поверхностная проводимость слоя их искусственного равномерного загрязнения и слоя загрязнения в естественных условиях.