Опыт эксплуатации и некоторые результаты исследований полимерных изоляторов в Италии

Особо большой интерес вызывают исследования характеристик полимерных изоляторов, проведенные в последние годы в Италии / 15, 43, 44, 45 /. В этой стране, характеризуемой крайне тяжелыми условиями промышленных и морских загрязнений, получен весьма неблагоприятный опыт эксплуатации на ВЛ 132 — 150 кВ в начале 70-х годов композитных изоляторов первого поколения с оболочкой главным образом из политетрафторэтилена / 46 /. На этих изоляторах было отмечено много электрических (пробой, эрозия и др.) и механических (разрыв стержня) повреждений. Поэтому в настоящее время эксплуатационники в Италии уделяют повышенное внимание приемочным («квалификационным «по итальянской терминологии) испытаниям изоляторов, которые проводятся по более жестким, усовершенствованным методикам и нормам, чем предусмотренные в стандарте МЭК 1109. Эта методика разработана Центральной электро — энергетической лабораторией Италии (СЕSI). Высказывались опасения, что никакие композитные изоляторы не выдержат особо жесткие испытания, разработанные ещё в начале 80 — х годов. Действительно при соответствующих испытаниях композитных изоляторов старого поколения практически все они повреждались, в то время как современные усовершенствованные изоляторы эти испытания успешно выдержали.

Испытания на старение (трекинг и эрозия) изоляторов для ВЛ 132 — 150 кВ производятся в ENEL в большой испытательной камере (17×18×15 м³) на полномасштабных изоляторах, большое количество которых испытывается одновременно. Применяется процедура, основанная на повторении недельного цикла, воспроизводящего по заданному графику все основные атмосферные воздействия — соленый туман 80 кг / м³, деминерализованный дождь 15 мм / мин, увлажнение (пар) 55 г / м² час, солнечное облучение 15 кВт / м^2, нагрев поверхности до 60 С, сухие периоды, механические воздействия — вместе с приложением наибольшего рабочего эксплуатационного напряжения 100 кВ. Жесткость некоторых из указанных атмосферных воздействий (предусмотренных стандартом МЭК 1109) при испытаниях в ENEL была усилена, с тем, чтобы они могли охватить все естественные условия на территории Италии / 43 /. Например, по МЭК 1109 испытания проводятся при солености только 7 кг / м³.

В стандарте МЭК 1109 предусмотрена проверка стойкости изоляторов только к статическим механическим воздействиям. Для предотвращения опасности разрушения изоляторов в эксплуатации вследствие усталостного старения и химической коррозии стеклопластикового стержня в ENEL на опытном пролете ВЛ длиной около 100 м были проведены длительные механико — химические испытания. Они в основном воспроизводят динамические изгибающие нагрузки на натяжные полимерные изоляторы, вызванные эоловой вибрацией проводов в сочетании со статической растягивающей нагрузкой. При этих испытаниях создавались динамические изгибающие нагрузки на изоляторы при искусственном возбуждении колебаний провода с частотой 5 — 50 Гц. Установлено, что это воздействие (изгибающее усилие и его усталостное влияние) должно быть учтено при конструировании полимерных изоляторов / 44 /. В лабораторных условиях воспроизводилась амплитуда изгиба изоляторов до 9000 мкм / м с частотой 6,5 Гц. При этом общее число приложенных циклов изгибающих нагрузок, учитывающее количество вибраций, ожидаемых на изоляторе в течение срока его службы, было принято равным 10⁷ (с одновременным приложением статической растягивающей нагрузки). Изоляторы, хорошо проявившие себя в ходе этих испытаний, на заключительном этапе исследований испытывались с четырьмя перерывами по 48 часов, во время которых изоляторы погружались в кислотный раствор с рН = 2. Этим воспроизводилось воздействие в эксплуатации кислотных дождей и туманов, влаги с добавками азотистых газов и других химических агентов. Опыт эксплуатации в Италии первых композитных изоляторов показал, что, если химические агенты проникают в тело изолятора вплоть до стеклопластикового стержня, на нем начинается процесс коррозии, а также развитие тока утечки на поверхности раздела стержня и оболочки.

Типы изоляторов, проявившие себя в эксплуатации неудовлетворительно, были испытаны по описанной методике и разрушались после 1,4 — 2,0 млн. циклов вибрации. На основе проведенных испытаний рекомендована установка на опытных пролетах с композитными изоляторами демпфирующих устройств, снижающих изгибающие прогибы изоляторов до 4800 мкм / м. Отметим, что большинство хрупких разрушений композитных изоляторов первого поколения в Италии произошло именно в анкерных пролетах, ни один из которых не был оснащен демпфирующими устройствами, и где амплитуда прогиба изолятора при вибрации могла составлять 9000 мкм/ м / 44 /.

Предварительный опыт, полученный в ENEL при длительных электрических и механических испытаниях изоляторов, подтвердил возможность воспроизведения большинства видов загрязнений, наблюдаемых в естественных условиях. Выявлено, что даже при отсутствии явных видимых изменений защитной оболочки выдерживаемое напряжение изоляторов при воздействии соленого тумана 80 кг / м ³ после старения в течение 1000 ч. снижалось на 10 — 25% по сравнению с новыми изоляторами, а для оболочки из PTFE более чем на 40%. Такое же снижение влагоразрядных напряжений зарегистрировано при лабораторных испытаниях изоляторов из PTFE, демонтированных с ВЛ после нескольких лет эксплуатации.

Результаты исследований электрического старения полимерных изоляторов первого поколения, выполненных в Италии, обобщены в докладе / 45 /. Ниже рассматриваются результаты итальянских исследований многих типов подвесных композитных изоляторов нового поколения, представленных разными изготовителями и сильно отличающимися в отношении оболочки, поверхности раздела и металлической арматуры / 15, 43 /. Оболочки испытывавшихся в 1988 — 1993 гг. изоляторов были выполнены из этилен-пропиленовой резины (EPR) разной модификации, ЕРDМ и кремнийорганической резины (HTV, RTV). Длина пути утечки изоляторов (с ребрами постоянного и переменного вылета) составляла 3,1 — 4,7 м. На некоторых из испытанных изоляторов была достигнута длительность испытаний 7000 часов и более. У всех типов изоляторов большие повреждения были зарегистрированы в горизонтальном положении, чем в вертикальном. У изоляторов с оболочками из ЕРDМ наблюдались средняя эрозия сердечника и сильное изменение цвета (мелование) на облучавшейся стороне. У изоляторов с оболочками из EPR наблюдалась слабая эрозия на сердечнике и слабое изменение цвета на облучавшейся стороне. Более сильные повреждения наблюдались на силиконовой резине (HTV). Средняя эрозия на сердечнике и на верхней части ребер наблюдалась на КО — изоляторе (HTV — a) при длине пути утечки 3,55 м и сильная эрозия сердечника и ребер на таком же изоляторе другой модификации вулканизации (HTV — б). Очень сильная эрозия на стержне и ребрах наблюдалась на КО — изоляторах (RTV — a, RTV — б) при длинах пути утечки 4,05 и 4,7 м. Таким образом значительно более сильное старение было получено на КО — оболочках, чем на EPR и ЕРDМ. Этот результат не согласуется с приведенной во многих других публикациях чрезмерно оптимистической оценкой КО — изоляторов и весьма настораживает. Отметим ещё, что при рассматриваемых испытаниях после 4000 — 5000 часов старения сильного увеличения эрозии за время испытаний до 7000 часов не наблюдалось.

Во время длительных испытаний на старение периодически регистрировались токи утечки по поверхности изоляторов. На многих изоляторах, в особенности кремнийорганических, эти токи (импульсы) при соленом тумане составляли сотни мА и нередко превышали 1 А. В целом токи утечки были выше на горизонтальных изоляторах, чем на вертикальных. Некоторые изоляторы при испытаниях на старение перекрывались после 4000 — 5000 часов испытаний при воздействии соленого тумана. (реже во время увлажнения и дождей).

При соленом тумане 80 кг / м³ по «быстрой «методике определялись разрядные напряжения новых изоляторов, а также изоляторов, испытывавшихся на старение после 2000 и 5000 часов. Обнаружено, что снижение напряжения перекрытия по сравнению с новыми изоляторами составляет не более 20%. Наиболее высокое удельное (по длине пути утечки) разрядное напряжение (0,39 кВ / см) оказалось у одного из изоляторов с оболочкой из EPR — a (переменный вылет ребер, L =3,1 м, L / Низ = 2,74). Установлено, что снижение разрядных напряжений в соленом тумане жестко не связано с интенсивностью повреждения оболочки. Это показывает, что разрушение оболочки и уровень электрической прочности вдоль её поверхности — два различных процесса, даже если оба они происходят при весьма длительных приложениях рабочих нагрузок на изолятор.

Те типы изоляторов, которые показали лучшие результаты в процессе предварительных испытаний на старение, были испытаны в ЕNEL по полной программе, последовательно включающей в себя :

• а) 2000 часов старения в камере под действием напряжения и окружающей среды ;
• б) 10 млн. переменных изгибающих циклов с перерывами по 48 часов каждый для погружения изоляторов в кислотный раствор ;
• в) 3000 часов (для некоторых изоляторов 5000 часов) старения под напряжением и воздействием среды.

Особый интерес представляет критерий оценки результатов рассматриваемых комбинированных испытаний. Изоляторы считают выдержавшими испытания, если :

• — отсутствуют повреждения стеклопластикового стержня ;
• — отсутствуют пробои по поверхности раздела или в стеклопластике;
• — не наблюдается отслаивания оболочки или потери внутреннего наполнителя ;
• — отсутствуют трекинг, глубокая эрозия, пробои ребер ;
• — выдерживаемая соленость тумана, определенная в соответствии с методикой стандарта МЭК 507 / 47 /, после 3000 часов старения в камере под напряжением и воздействия среды должна быть не ниже 56 кг / м³ ;
• — остаточная деформация в середине изолятора, подвергнутого динамическому изгибу, должна составлять не менее 60% соответствующего значения, определенного до начала циклов изгиба ;
• — значение механической прочности на разрыв должно составлять не менее 70% от первоначального значения.

Только после того, как определенный тип изолятора успешно прошел комбинированные длительные электрические и механические испытания, он признается ENEL годным для всех испытаний конструкции и типовых испытаний, рекомендованных стандартом МЭК 1109. В исследованиях ENEL такими изоляторами оказались два типа с оболочками из EPR и ЕРDМ (успешно выдержавшие старение в течение 7000 — 8000 часов), у изоляторов из силиконовой резины было очень сильное старение и они не были подвергнуты дальнейшим испытаниям. Результаты испытаний сняли сомнения в излишней жесткости принятой в Италии процедуры испытаний, высказывавшиеся в частности многими специалистами США. Два вышеуказанных типа изоляторов успешно прошли после испытаний на старение конструктивные и типовые испытания по МЭК 1109. Сейчас планируется установить по тысяче изоляторов каждого типа на ВЛ 132 — 150 кВ, расположенных в различных районах Италии, в основном в условиях сильных осадков, интенсивной солнечной радиации, влаги и т. д., в том числе там, где композитные изоляторы первого поколения работали неудовлетворительно. По графику намечено осуществлять периодические осмотры изоляторов, они будут периодически демонтироваться и подвергаться лабораторным испытаниям, включая оценку физико — химического состояния материалов и поверхностей раздела композитных изоляторов.