Основные конструктивные особенности полимерных изоляторов

Назначение различных конструкций

В СССР начиная с 1979 года сначала в Научно-исследовательском институте высоких напряжений, а в последствии в КБ по высоковольтным изоляторам и линейной арматуре разработаны полимерные изолирующие конструкции различного назначения:

  • стержневые изоляторы и гирлянды классов нагрузки 70, 120, 160, 300 кН напряжением 35-1150 кВ для районов с чистой и загрязненной атмосферой;
  • изоляторы и гирлянды классов нагрузки 70 и 160 кН для проведения ремонтных работ без отключения ВЛ напряжением 35-1150 кВ;
  • междуфазовые изолирующие распорки для ВЛ напряжением 35-330 кВ;
  • изолирующие траверсы для ВЛ напряжением 10-220 кВ.

Линейные изоляторы до напряжения 500 кВ включительно выполнены в виде  одного элемента, на напряжение 750 кВ и 1150 кВ применяется гирлянда, состоящая из двух изоляторов на напряжение 330 кВ и 500 кВ соответственно.

Основными достоинствами композитных изоляторов являются резко сниженный вес, улучшенные в сравнении с изоляторами из керамики и стекла механические и электрические характеристики, стойкость к вандализму , удобство транспортировки и монтажа, возможность использования для компактизации электроустановок, хорошая работоспособность в условиях загрязнения.

Несмотря на внешнюю простоту, композитные изоляторы представляют собой достаточно сложную составную конструкцию, подвергаемую комбинированным механическим и электрическим нагрузкам и воздействиям окружающей среды.


Стержень (сердечник) изоляторов

Стержень (сердечник) изоляторов выполняет двойную роль, обеспечивая изоляцию и неся механическую нагрузку, причем он может работать как на растяжение и изгиб , так и на кручение и сжатие. У линейных подвесных и опорных композитных изоляторов центральный стержень состоит из аксиально-ориентированных (вдоль оси изолятора) стеклянных нитей, скрепленных вместе посредством эпоксидной смолы.  Семьдесят пять процентов веса стержня составляют нити мало-щелочного стекла типа Е. Диаметр нитей лежит в пределах от 5 до 20 мкм. Смола может быть полиэфирной или эпоксидной. Хотя эпоксидная смола считается более надежной, но из-за более низкой цены чаще всего применяют полиэфирные смолы. Стеклопластиковые стержни различных диаметров и длины изготавливаются путем протяжки через обогреваемую формующую фильеру стеклоровинга, предварительно пропитанного эпоксидным компаундом.

У подстанционных опорных изоляторов и вводов стержень состоит из намотанной стеклопластиковой трубы. Незащищенный стержень практически непригоден для длительного наружного применения из-за развития трекинга при воздействии загрязнения, влаги и рабочего напряжения. Для защиты стержня от внешних воздействий на него различными способами наносятся защитные оболочки из различных полимерных материалов, в подавляющем большинстве случаев снабженные ребрами для обеспечения максимальной электрической прочности.

В настоящее время только три класса материалов широко используются в оболочках композитных изоляторов:

  • эпоксидные смолы (компаунды);

  • углеводородные эластомеры (ЗАО «Полимеризолятор»);

  • силиконовые эластомеры (ОАО «ПромАрматура», «Энергия XXI» и др.).                                                        

Ранние эпоксидные смолы, впервые примененные в высоковольтных изоляторах наружной установки за рубежом (США) в 1959 г., изготавливались на основе бифенола А - типа с большим наполнением кварцем. Такие изоляторы были твердыми и ломкими, на них в эксплуатации наблюдался трекинг. Для увеличения эластичности в материал добавлялись различные виды пластификаторов, что приводило к гидролизу, из-за которого происходила деполимеризация смолы. Из-за подверженности, вследствие указанных факторов, электрических трекам и слабой устойчивости к ультрафиолетовому (УФ) излучению, бифеноловая А-типа эпоксидная смола впоследствии была повсеместно заменена на эпоксидную смолу циклоалифатического типа с использованием в качестве наполнителя гидрата алюминия. В настоящее время изоляторы из циклоалифатических смол различной модификации применяются за рубежом в распределительных сетях напряжением до 69 кВ ( вводы аппаратов, изоляторы шинопроводов, корпуса трансформаторов тока ). В обычных условиях их характеристики в целом вполне удовлетворительны, но они не пригодны для эксплуатации в условиях загрязнения.

Этиленпропиленовые резины (EPR) в настоящее время широко используются для наружной изоляции, а именно две модификации этилен- пропиленового мономера (ЕРМ, ЕРDМ) и сополимер этилен-пропилена и силикона (ЕSP). Все три типа имеют высокую степень заполнения гидратом алюминия или другими наполнителями. Ранние типы EPR подвергались трекингу с образованием проводящих углеродных дорожек на поверхности и имели слабую устойчивость к УФ  излучению. Треки развивались древовидно, пока весь изолятор не был ими зашунтирован, что приводило к перекрытиям. Современные EPR более устойчивы к треку и УФ лучам и характеризуются только небольшими изменениями поверхности в эксплуатации. Изоляторы с оболочками из EPR пригодны для электроустановок класса напряжением до 765 кВ. Их длительные характеристики для чистых районов вполне удовлетворительны. При работе в условиях загрязнения характеристики оболочек из EPR неоднозначны, но чаще всего они неудовлетворительны. Для оценки характеристик применяемых сравнительно недолгое время оболочек из ESP необходимо накопить опыт эксплуатации.

Силиконовые эластомеры (SE) или кремнийорганические резины (SIR) для наружной изоляции применяются трех типов :

  • вулканизированные при комнатной температуре (RTV);

  • жидкая силиконовая резина (LSR);

  • вулканизированные при высокой температуре (HTV).

Оба вулканизированных типа (RTV и HTV) имеют высокое заполнение гидратом алюминия и обожженным кремнеземом (окись кремния) и оба этих типа по большинству публикаций проявили себя как наиболее надежные полимерные материалы для наружной изоляции   (отдельные отступления от этого мнения приводятся в дальнейшем изложении). Резина LSR ещё только начинает применяться, хотя и в во всё возрастающих объёмах. Первые SE были применены в 1965 г. в подвесных изоляторах (RTV с наполнением кварцем). Применение этих оболочек в целом было успешным, постепенно для изоляторов, предназначенных для работы в районах с загрязненной атмосферой, начали применять в качестве наполнителя гидрат алюминия, а с 1979 г. начали выпускать подвесные изоляторы с оболочками из HTV силикона. Эластомеры RTV применяют обычно на подстанционных изоляторах, их характеристики в загрязненных районах в большинстве случаев оказались весьма хорошими.

В отличие от большинства других полимерных изоляционных материалов силиконовые эластомеры способны сохранить свою низкую поверхностную энергию, что обеспечивает их отличные гидрофобные поверхностные свойства (подробнее см. об этом в разделе 20). Кроме того, в отличие от EPR , силиконовые эластомеры устойчивы к солнечным УФ лучам. Опыт эксплуатации показал, что, как правило, обмыв загрязненной SE - изоляции так часто, как для фарфоровых или других некерамических изоляторов не требуется, а во многих случаях обмыв вообще не нужен. В целом в настоящее время за рубежом наметилась тенденция использовать SE для оболочек всех типов наружных изоляторов. Разработчики стремятся к стандартизации, как это сделано для керамических изоляторов, причем более дешевые модификации силикона будут использоваться под общим названием     “ силикон “ по аналогии с кварцевым фарфором, используемым для низких напряжений. Этот тип фарфора имеет худшие характеристики по сравнению с алюминиевым фарфором, используемым для высоковольтных изоляторов , хотя оба этих типа изоляторов называют фарфоровыми.


Юбки в полимерных изоляторах

Конфигурация юбок, используемая в композитных изоляторах, весьма разнообразна. На первых изоляторах юбки делали ребристыми по образцу фарфоровых длинностержневых подвесных изоляторов. Применялась также конусная форма юбок для обеспечения большой длины пути утечки. Юбки такой конфигурации легко удаляются из отливочной формы, когда отливаются поштучно. Однако с переходом от модульных отливок к цельно отливаемой оболочке форма применяемых юбок стала у большинства фирм слабо конической (почти плоской и горизонтальной), главным образом для обеспечения изъятия её без повреждений из отливочной формы. В последние годы фирмы чаще всего применяют гладкие профили юбок, лучше очищаемые от загрязнения ветром и осадками. Большинство фирм предлагает композитные изоляторы, как с постоянным, так и с переменным вылетом ребер.

В настоящее время большинство передовых зарубежных фирм для повышения срока службы изоляторов, особенно для более высоких напряжений, отказалось от модульной отливки и перешло на отливку оболочек, вулканизируемых на стержне целиком (за один технологический цикл), чаще всего с применением термопластавтоматов и устройств. Причин для такого перехода существует несколько. В модульных оболочках из-за короны в пространстве между юбками и эрозии, вызванной поверхностными разрядами, часто образуются микропроводящие каналы между отдельными юбками, что приводит к выходу их из работы. В нескольких известных случаях такие каналы проникали непосредственно до стеклопластикового стержня и были причиной его трекинга. Кроме того в модульных конструкциях для заполнения воздушных полостей между юбками используются соединительные компаунды (силиконовая мазь, силиконовый гель), которые выделяют масло, способствующее накоплению загрязнений на стыках между юбками. Герметики типа эпоксидных смол не образуют постоянной связи с эластомерными материалами, поэтому модульные соединения механически разделяются за короткий период времени из-за влияния влаги. Наконец, некерамические изоляторы с модульными юбками не могут обмываться водой под высоким давлением , и поэтому не должны использоваться в тех загрязненных районах , где требуется обмыв. 

Индивидуально сформированные юбки или группы юбок, насаживаемые на стержень изолятора, обычно имеют меньший внутренний диаметр, чем диаметр стержня. Посадка таких юбок на стержень чаще всего производится за счет трения (натяжкой), при этом снижается количество компаунда (подслоя), необходимого для заполнения воздушного промежутка между стержнем и оболочкой. Это приводит к механическим (“обручным“) растягивающим нагрузкам в юбках и уменьшает срок службы изоляторов. УФ лучи солнца в некоторых полимерах, например в EPR, также могут вызвать разрыв связи между юбками, приводя к образованию микроскопических трещин. Обычно эти трещины сильно распространяются в глубину из-за наличия органических и неорганических УФ ингибиторов, которые введены в материал. Поэтому рассматриваемые трещины не обязательно сокращают срок службы изоляторов, но у модульных юбок при воздействии на них механических (“обручных“) нагрузок эти трещины постепенно увеличиваются и могут вызвать разрушение юбок. При наличии “ обручных “ нагрузок воздействие короны также ускоряется.


Арматура (оконцеватели) композитных изоляторов

Арматура (оконцеватели) композитных изоляторов изготавливается из литого, штампованного алюминия, ковкого чугуна или стали. Для обеспечения необходимой механической прочности оконцеватели  прикрепляются к стержню различными способами - опрессовкой, заливкой эпоксидным компаундом, реже использованием металлического клина. Когда опрессовка производится равномерно по окружности оконцевателя, изолятор имеет лучшие характеристики, чем при использовании клееного конического оконцевателя (имеет большую разрывную прочность на единицу поперечного сечения сердечника). Однако, если обжимающая пресс- форма изношена или используется только двухсторонняя опрессовка шестигранной матрицей, может произойти излом стержня изолятора. Наиболее хорошая заделка стержня изолятора в оконцевателях происходит при опрессовке круглой матрицей методом вытяжки. В этом случае в стержне изолятора не образуются микротрещины. Эти трещины, как правило, не могут быть обнаружены при приемочных испытаниях, а дефект проявляется уже в эксплуатации. Такую заделку используют в России фирмы (ЗАО «ПромАрматура», ЗАО «Арматурно-изоляторный завод», ЗАО «НПО «Изолятор»). В клиновых , редко применяемых , конструкциях оконцевателей создаются механические нагрузки , передающиеся к центру стержня. Они могут привести к образованию в сердечнике трещин при весьма малых крутящих нагрузках. Изоляторы с такими оконцевателями требуют особой осторожности при монтаже и эксплуатации. Напротив обжатые и клееные конструкции оконцевателей имеют высокую прочность на скручивание.

При перекрытии изолятора силовой дугой на оконцевателях, где располагаются опорные точки дуги, концентрируется тепло. У конструкций с обжатием при нагреве оконцеватели расширяются, поэтому их соединение со стержнем ослабляется. В клеевых эпоксидных конструкциях разложение клеевой части является типичной причиной повреждения. В клиновой конструкции нагрев стержня приводит к повреждению в результате расклинивания. На многих конструкциях оконцевателей устанавливаются дополнительные металлические диски (кольца) предохраняющие оконцеватели от высоко - концентрированной в опорных точках тепловой энергии дуги. Изоляторы более высоких классов напряжения снабжаются защитной арматурой для выравнивания распределения напряжения. Однако в некоторых случаях эта арматура может сильно повреждаться от действия силовой дуги. Если такое кольцо не заменить сразу после его повреждения , это может привести в очень короткое время к серьезным   “коронным “ повреждениям в изоляторе. Кроме того в таких случаях возникают сильные радио-  и телевизионные помехи. Выявлено, что, если последствия дугового повреждения защитной арматуры ликвидированы достаточно быстро, механическая прочность изоляторов не изменяется. Однако, если повреждения происходят повторно на уже имевшей повреждения защитной арматуре, может произойти разрыв изолятора с падением провода. 

В настоящее время признается, что концевая заделка, т.е. соединение оконцевателей и защитной оболочки, является наиболее важным элементом композитного изолятора с точки зрения обеспечения его безаварийной длительной работы. Из-за нарушения целостности (герметичности) неоднократно происходили тяжелые аварии в эксплуатации , вызванные разрывом стеклопластикового стержня , входившего в контакт с атмосферными загрязнениями и влагой. Основной причиной таких разрывов стеклопластикового стержня был трекинг по увлажненной поверхности. При этом изоляторы, в которых используется клиновое присоединение металлических оконцевателей к стержню, имеют, как правило, наименее надежные концевые заделки. Перемещение стержня внутри оконцевателя в таких конструкциях приводит к смещению оболочки относительно оконцевателя , в результате чего стержень может оказаться незащищенным. Основными применяемыми в настоящее время типами заделки являются клеевая, фрикционная (трение) и формовочная. Заделки клеевого типа, выполняемые с использованием замазочного материала (герметика), такого как силиконовая резина RTV , из-за плохой адгезии недолговечны. Заделки фрикционного типа, в которых стержень с трением вводится в оконцеватель, работают эффективно до тех пор, пока сохраняются размерные допуски, и на практике не вызывали каких-либо проблем, обеспечивая отсутствие перемещения оконцевателей. Концевые заделки, выполненные формовкой стержня в оконцеватель, являются наилучшими, поскольку при формовке образуется прочное физическое скрепление стержня, оконцевателя и оболочки.


Возврат к списку