Полимерные изоляторы для электрических аппаратов наружной установки

Приведены результаты комплексных испытаний полых полимерных изоляторов с силоксановым защитным покрытием. Показана эффективность проверки надежности границы раздела защитного покрытия и стеклоэпоксидного корпуса импульсами с крутым фронтом нарастания напряжения. Положительные электрические и климатические испытания подтвердили возможность применения полых полимерных изоляторов в высоковольтных аппаратах наружной установки.

УДК 621.315.61.037
В. З. Трифонов, Е. И. Остапенко, В. В. Годулян
ПОЛИМЕРНЫЕ ИЗОЛЯТОРЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НАРУЖНОЙ УСТАНОВКИ

Более чем 20-летний положительный опыт эксплуатации длинностержневых полимерных изоляторов на специальных стендах, опытных и промышленных линиях позволил расширить применение полимерных материалов в опорных изоляционных конструкциях и аппаратной изоляции. Как правило, в опорных изоляторах применяются материалы, апробированные в длинностержневых конструкциях.
Основным принципом конструирования полимерных комбинированных изоляторов является разделение механических и электрических нагрузок на изолятор. Разработка опорных конструкций развивается в трех направлениях:
конструкции в виде фермы на основе одиночных длинностержневых полимерных изоляторов [1];
газонаполненные опорные изоляторы;
опорные изоляторы на основе сборных элементов.
Изоляционные конструкции в виде фермы, собранные из длинностержневых изоляторов, позволяют значительно уменьшить массогабаритные показатели и увеличить механическую прочность. Газонаполненные изоляторы состоят из изоляционного полого цилиндра, защитного ребристого покрытия и фланцев по торцам цилиндра. Как правило, защитное покрытие набирается из отдельных ребер из эластичного трекингостойкого материала [2]. Вводы такой конструкции с силоксановыми ребрами на напряжение 145 кВ успешно проходят эксплуатационные испытания с 1979 г. [3].
Опорные изоляторы на основе сборных элементов представляют собой конструкции, состоящие из отдельных усеченных конусов со сплошным днищем со стороны меньшего диаметра [4]. Пространство между элементами может быть заполнено полупроводящим пенопластом.
В СССР первый опыт применения полимерных изоляторов в высоковольтных аппаратах предпринят в конструкции воздушного выключателя ВНВП на 1150 кВ [5]. Результаты длительных испытаний этого выключателя использованы при разработке полимерных изоляторов для элегазовых выключателей ВЭК на 110 и 220 кВ. Важным требованием к полимерным изоляторам является обеспечение длительной защитной способности покрытия от проникновений атмосферной влаги в границу раздела сердечника и покрытия, т. е. герметичности изолятора и сохранения необходимой электрической прочности по внешней поверхности защитного покрытия, что может быть выполнено прежде всего путем правильного выбора материала защитного покрытия. При исследованиях приняты во внимание результаты длительных испытаний образцов полимерных материалов и макетов изоляторов на наружном стенде. Испытывались образцы на основе эпоксидиановой и циклоалифатической эпоксидной смол, фторопласта и кремний-органических соединений, а также макеты изоляторов на основе этих материалов. При этом макеты изоляторов периодически подвергались лабораторным испытаниям, которые показали, что наиболее перспективным является применение в качестве защитного покрытия кремний-органического материала, в частности силоксановой резины.
В работе исследовались изоляторы, представлявшие собой стеклопластиковый полый цилиндр, защищенный от атмосферных воздействий ребристой покрышкой. По торцам цилиндра установлены металлические фланцы. Защитная покрышка изготовлена из отдельных ребер, полученных методом горячего формования из силоксановой резины К-69 или КТ-1410. Применены два способа герметизации изоляторов. В первом способе покрышка, собранная из отдельных ребер, насаживалась с зазором на стеклопластиковый цилиндр, а полость между цилиндром и защитной покрышкой заполнялась вакуумированным кремний-органическим компаундом. Во втором способе ребра насаживались на стеклопластиковый полый  цилиндр с натягом, при этом поверхность предварительно покрывалась тонким слоем кремний-органического вазелина КВ-3.
Приводим основные геометрические параметры изоляторов *.

* Изоляторы разработаны Харьковским отделением ВНИИЭИМ при участии ВЭИ имени В. И. Ленина и изготовлены на заводе «Киргизэлектроизолит».

Для оценки работоспособности и надежности изоляторов проведен комплекс высоковольтных и климатических испытаний. Изоляторы успешно выдержали высоковольтные испытания, результаты которых приведены ниже

По условиям эксплуатации и конструктивным особенностям комбинированных изоляторов наиболее важными видами испытаний являются проверка трекингостойкости защитного покрытия и надежности границы раздела этого покрытия и сердечника.
Испытания на трекингостойкость проводились в камере объемом 5 м³, снабженной вводом высокого напряжения и соплами для создания атмосферы проводящего тумана путем распыления увлажняющего раствора поваренной соли. Изолятор успешно выдержал испытания в течение 200 ч при проводимости раствора 300 Ом-см.
Наиболее эффективным способом проверки надежности границы раздела являются испытания импульсами напряжения с крутизной фронта 2000—3000 кВ/мкс. Для испытаний использовался генератор импульсных напряжений ГИН-7,2 МВ, настроенный на стандартную грозовую волну 1,2/50 мкс. Амплитуда импульса устанавливалась не менее удвоенного значения 50%-ного разрядного напряжения при отрицательной полярности, которое обеспечивало перекрытие изолятора на фронте импульса. При этом фиксировалось напряжение перекрытия с помощью амплитудного вольтметра и по осциллограмме определялась крутизна нарастания напряжения перед разрядом. 

Изолятор I успешно выдержал по 25 импульсов напряжения положительной и отрицательной полярности с крутизной 2050 и 2150 кВ/мкс соответственно. Пробой изолятора II по границе раздела наступил через три приложения положительного импульса крутизной 1920 кВ/мкс.
Проведены испытания электрической прочности стенки изолятора I на местах склейки ребер защитного покрытия. При этом с наружной стороны изолятора накладывался плотно прилегающий электрод в виде проволочного кольца, с внутренней — электрод из алюминиевой фольги шириной 100 мм. Изолятор успешно выдержал напряжение промышленной частоты 150 кВ (действующее значение) в течение 5 мин, дальнейший подъем напряжения приводил к перекрытию изолятора.
Изолятор I успешно выдержал климатические испытания на холодо- (при —60° С) и теплоустойчивость (при +80° С), воздействие смен температур от — 60 до +80°С при давлении во внутренней полости 2,4 МПа, а также испытания на влагоустойчивость в соответствии с ГОСТ 16962—71. Испытания макетов изоляторов на термоудар при разности температур 100° С (нагревание при температуре кипящей воды и охлаждение в воде при 0°С) показали, что после таких испытаний механических разрушений не имеется, макеты изоляторов успешно выдерживают испытательные напряжения. В связи с этим изоляторы на термоудар не испытывались.

УДК 621.315.626:621.316.542.027.3