Опыт эксплуатации и результаты исследований полимерных изоляторов в США

Вопросы применения и исследований некерамических изоляторов в США освещены в многочисленных публикациях. 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, а нормы и методы их испытаний национальным стандартом. 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. 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.  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 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.