Опыт эксплуатации и некоторые результаты исследований полимерных изоляторов в Италии

Особо большой интерес вызывают исследования характеристик полимерных изоляторов , проведенные в последние годы в Италии. 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. 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 х 18 х 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 / м² , 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 стекло- пластикового 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.

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.