Испытания и исследования комбинированных изоляторов для ВЛ

УДК 621.315.623.5.001.5
ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ИЗОЛЯТОРОВ ДЛЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ*
Хоулгейт, Свифт (Великобритания), Симадор,
Пурбе (Франция), Марроне, Николини (Италия)

* R. G. Houlgate. D. A. Swift (United Kingdom), A. Cimador, F. Pourbaix (France), G. Marrone, P. Nicolini (Italy). Field experience and laboratory research on composite insulators for overhead lines. Доклад 15—12 на сессии СИГРЭ 1986 г. Пер. с англ. В. А. Минасбековой.

Во Франции, Италии, Великобритании получено большое количество результатов полевых и лабораторных испытаний и исследований комбинированных изоляторов (КИ) разных типов для систем с номинальным напряжением до 500 кВ.
Они показали необходимость некоторых изменений в конструкции КИ, чтобы улучшить их электрические и механические характеристики. За последние 6 лет эти проблемы и их возможные решения исследовались при испытаниях как в естественных условиях (в процессе эксплуатации или на испытательных станциях), так и в лабораториях. Основной задачей была разработка методик испытаний на ускоренное электрическое, механическое и при воздействии внешних факторов старение, которые дали бы возможность установить долговременные характеристики и ожидаемый срок службы.
Испытания на старение при электрической нагрузке и воздействии внешних условий воспроизводят некоторые характерные особенности старения, наблюдаемые при эксплуатации или на испытательных станциях, испытания на старение при механических нагрузках дают возможность исследовать хрупкое разрушение стеклопластикового стержня.
Исследовались КИ, изготовленные наиболее известными в этой области фирмами, разной конструкции, отличающиеся наружной оболочкой, способом соединения ее со стержнем, металлической арматурой. В качестве материалов для наружной оболочки применяли политетрафторэтилен, эпоксидную смолу, силиконовый каучук, этиленпропиленовый каучук или сшитый тройной этиленпропилендиеновый сополимер.
Эти исследования позволяют разработать методы испытаний, выявить недостатки в технологии производства и конструкции и установить механизмы старения.

Исследования в процессе эксплуатации

Великобритания.

КИ, в которых использованы циклоалифатические эпоксидные смолы, уже в течение нескольких лет эксплуатируются на ВЛ напряжением 66 и 132 кВ. Поскольку эти ВЛ проходят через необычайно красивую местность, были использованы предельно низкие деревянные опоры (П-образные или в виде трезубца); непроводящие концы трехфазной линии соединены металлической траверсой или проводящей крепительной планкой, что обеспечивает плавающую нулевую точку при схеме ’’звезда” (т.е. это соединение не заземлено).
Проверка показала, что у некоторых КИ значительно ухудшается состояние поверхности, так что в ряде случаев возникали перекрытия; оболочки некоторых КИ растрескивались, но стержень оставался механически прочным. Перекрытия наблюдались в местах с очень сильным загрязнением морской солью (уровень загрязнения 0,6 мг/см2). Однако длина пути утечки у этих КИ составляла только 25 мм/кВ. Проблема перекрытия была в значительной степени решена: ежегодно КИ покрывали вязким силиконовым маслом с помощью щетки.
Основным преимуществом КИ для низковольтных ВЛ (в том числе напряжением 11 и 33 кВ), обеспечивающим им все более широкое применение, является их механическая прочность, благодаря которой они стойки к актам вандализма. Так что даже срок службы несколько лет уже можно считать большим достоинством.

Франция.

При испытаниях некоторых типов КИ в течение нескольких лет в лабораториях и на испытательных станциях в естественных условиях были получены удовлетворительные результаты. Характеристики ребристой оболочки не ухудшались при воздействии электрической нагрузки и климатических факторов. Поэтому Electricite de France начиная с 1981 г. все более широко проводит программу исследований эксплуатационных характеристик КИ, установленных на ВЛ. В 1981 г. 160 КИ были установлены на линии напряжением 225 кВ вблизи Дюнкерка на Севере Франции, проходящей вблизи морского побережья, через промышленную область с сильно загрязненной атмосферой. Корка окиси железа, образующаяся на стеклянных изоляторах, часто бывала причиной их разрушения. Обычно КИ используют в поддерживающих и натяжных сдвоенных гирляндах как распорки между фазами. Каждый год один или несколько КИ снимают с линии для испытаний: наружного осмотра, определения выдерживаемого напряжения в загрязненном состоянии после эксплуатации и однонедельных механических испытаний для определения прочности на растяжение. Все испытанные после четырех лет эксплуатации КИ имели очень хорошие характеристики; длина пути утечки была выбрана достаточно высокой - от 25 до 36 мм/кВ.
В последнее время была завершена установка КИ на четырех опорах на ВЛ, идущей от АЭС Paluel, расположенной на побережье, так что КИ подвергались воздействию морского климата. Было проведено сравнение характеристик КИ с экранными кольцами и без них, но в обоих случаях с обычными дутозащитными устройствами. Систематически определенное число КИ с этой ВЛ снимали для осмотра и испытаний.
На ВЛ напряжением 400 кВ с анкерным креплением гирлянд начиная с 1983 г. каждый год устанавливали от 200 до 300 КИ. Замена двумя параллельными КИ (600 кН) четырех параллельных гирлянд (300 кН) стеклянных изоляторов обеспечивала снижение массы гирлянд в 7 раз. Малая масса КИ облегчает проблему перевозки при сооружении временных ВЛ 400 кВ для использования в аварийной ситуации.
С 1982 г. КИ устанавливалась в качестве распорок между фазами на ВЛ напряжением 20, 63 и 400 кВ для предотвращения пляски проводов при сильном ветре и оледенении. Предполагается, что КИ будут использоваться в так называемых компактных линиях напряжением 63 или 90 кВ, в которых обычные траверсы и гирлянды изоляторов должны быть заменены составными изолированными траверсами для ограничения движения проводов в поперечном направлении и снижения продольных нагрузок.

Италия.

Начиная с 1974 г. около 2000 КИ с политетрафторэтиленовой оболочкой были установлены на ВЛ напряжением 132-150 кВ, проходящей через области с различной загрязненностью атмосферы (от незначительной до сильной). После 2 лет эксплуатации были обнаружены значительные повреждения нескольких КИ.

Таблица 1. Результаты испытаний КИ, проведенных ENEL

* UQ — среднее напряжение перекрытия; Un — то же до начала испытаний.

Для простоты отдельно рассматривались электрическое повреждение (значительное ухудшение характеристик наружной оболочки) и механическое повреждение (разрушение стержня), даже если действовал синергетический эффект.
Электрические повреждения, как правило, были более значительными на ВЛ 150 кВ на участках с сильно загрязненной атмосферой, с загрязнениями смешанного типа. Все КИ, находившиеся там в эксплуатации в течение 3 лет, были демонтированы для проведения наружного осмотра, электрических и механических лабораторных испытаний. Примерно у половины КИ были обнаружены явные электрические повреждения, которые в некоторых случаях могли возникнуть под действием дуговых разрядов, в других - под действием прогрессирующего старения, ведущего к ухудшению свойств: пробою ребер, трекингу и эрозии. Эти явления были тем более обширными и сильными, чем в более загрязненной атмосфере находились КИ.
Некоторые из этих КИ испытывали в лаборатории ENEL методом морского тумана при солености 80 кг/м3. Результаты, приведенные в табл. 1, показывают, что выдерживаемое напряжение КИ после трех лет эксплуатации может снизиться до 50% исходного.
У более 1% КИ, находящихся в эксплуатации, произошло механическое разрушение стержня. Использование сдвоенных гирлянд предотвратило падение проводов во всех случаях. Разрушение стержня КИ в 90% случаев происходило вблизи металлической арматуры: из них две трети со стороны провода, одна треть - со стороны опоры.

Наружный осмотр КИ показал, что разрушение стержней в поперечном направлении имеет две зоны: первую, как бы срезанную ножом, и вторую, где волокна разрушаются на разных параллельных уровнях, что типично для хрупкого разрушения. В большинстве (85%) случаев оно происходит на КИ при анкерном креплении гирлянд, даже когда количество натяжных и подвесных изоляторов примерно равно. ДСИ, у которых наблюдалось хрупкое разрушение, ставили на испытания в районе со средним уровнем промышленно-морских загрязнений.

Исследования на испытательных станциях Брайтон.

Испытательная станция расположена на южном побережье Англии рядом с электростанцией и портом в менее чем 100 м от моря (при высоком приливе), где основными загрязнениями являются соль и угольная пыль. Уровень загрязнения выше 0,3 мг/см2 обычно составляет 5% времени испытаний и может держаться в течение нескольких часов подряд.
Большинство фирм мира, изготавливающих КИ, представило их для испытаний. Это были и прототипы, и промышленно выпускаемая продукция. У испытываемых КИ проводили наружный осмотр, измерение тока утечки и регистрацию перекрытий. В нескольких случаях КИ испытывали при высокой механической в осевом направлении нагрузке (55 мин при 100 кН, затем нагрузку снимали на 5 мин и цикл повторяли) и электрическом напряжении.
Циклические испытания при такой высокой нагрузке приводили к механической усталости соединения между оболочкой и оконцевателем. Иногда при ускоренных испытаниях ухудшение свойств оболочки является настолько сильным, что приводит при одновременном действии атмосферных влаги и загрязнений к возникновению значительных разрядов на поверхности стеклопластикового стержня.
Основные типы повреждений, обнаруженные при этих испытаниях, приведены в табл. 2. Хотя количество испытаний при одновременном воздействии механической и электрической нагрузок является незначительным, важно отметить отсутствие хрупкого разрушения стержня, хотя некоторые испытанные КИ были того типа, для которого известны случаи хрупкого разрушения в процессе эксплуатации.
Несмотря на то, что было получено много данных для большого числа КИ разных типов, трудно сделать какие-либо выводы относительно сравнительных характеристик КИ, так как испытания проводили в различные периоды времени при разных уровнях напряжения. Разработанная в последнее время методика групповых испытаний определенных типов КИ помогает получить дополнительные данные.
Метод групповых испытаний изоляторов стали применять с 1983 г. при испытаниях КИ для Canadian Electric Association.
Таблица 2. Типы повреждений КИ при испытаниях на станции в Брайтоне

Некоторые КИ исследовали при определенном уровне испытательного напряжения, другие - при нормальном рабочем напряжении в течение большего периода времени, но при возникновении сильных разрядов оно постепенно повышалось или до значения, при котором происходит перекрытие, или до выбранного предельного значения. Этот метод испытаний при изменяющемся напряжении ранее был принят для фарфоровых изоляторов. Выключатель и регулятор напряжения были соединены с компьютером. В качестве контрольных установлены шесть гирлянд фарфоровых изоляторов параллельно КИ. Каждый контрольный изолятор имел пять плавких соединений взрывного типа на стороне земли, так что всякий раз при перекрытии его длина под напряжением увеличивалась на 12%. КИ также имеют такие плавкие соединения, так что при перекрытии короткий изолятор соединяется последовательно, тем самым предотвращая дальнейшие перекрытия на этом КИ в течение данного периода сильного загрязнения. Два ограничения уровней напряжения соблюдаются условиями испытаний исходя из кривой зависимости напряжённости электрического поля от частоты перекрытий: первое, когда средняя напряженность электрического поля в осевом направлении на контрольных изоляторах превышает в 1,16 раза исходное значение в программе испытаний, и второе, когда на КИ напряжение достигает 1,5 нормального рабочего. Напряженность электрического поля в осевом направлении представляет собой приложенное напряжение, деленное на длину между фиксированными точками. После перекрытий для каждого КИ и каждой контрольной гирлянды может быть рассчитана ’’фигура Мерита” (ФМ), представляющая собой среднюю длину Lm контрольных изоляторов, деленную на длину L изолятора, на котором происходит перекрытие, т.е. ФМ = Lm/L, где Lm=∑LC/NC (Lc - длина под напряжением одного контрольного изолятора; Nс - число контрольных изоляторов).
Эти значения ФМ нормализуются делением их на среднюю ФМ того контрольного изолятора, который выбран в качестве эталонного.
Характеристики КИ и результаты испытаний, проведенных в Брайтоне, приведены в табл.3.
При испытаниях число КИ одного и того же типа на одно и тоже номинальное напряжение изменялось от 1 до 4 для определенных уровней электрической нагрузки. Эти КИ подвешивали вертикально, за исключением испытаний при 34,5 кВ, при которых КИ монтировали под углом 45°, так чтобы нижняя сторона ребер была обращена к морю. При испытаниях при 500 кВ брали по два КИ каждого типа: один подвешивали вертикально, другой под углом 15° к горизонтали. При 230 кВ в большинстве случаев по два КИ каждого типа монтировали без или с экранными кольцами. Приведенные в табл. 3 зарегистрированные импульсы тока и напряжения перекрытия являются максимальными для КИ одного и того же типа на одно и то же номинальное напряжение; изменения этих величин в одном ряду являются незначительными.
При определенных уровнях напряжений перекрытия наблюдаются только на некоторых КИ с оболочкой из эпоксидной смолы, даже если напряженность электрического поля на поверхности меньше, иногда значительно, чем у КИ с оболочкой из силиконового каучука.

Таблица 3. Результаты изоляторов методом групп

Продолжение таблицы 3

* Длина изолятора между фиксированными точками.

Ток утечки у КИ с эпоксидной оболочкой значительно больше, чем у соответствующего КИ с силиконовой оболочкой. Эти данные согласуются с известными экспериментальными результатами и подтверждают, что снижение характеристик перекрытия в процессе старения больше в случае эпоксидных материалов, чем силиконового каучука.
Только один материал подвергается очень сильному старению в процессе этих испытаний - сшитый тройной этиленпропилендиеновый сополимер с КИ типа D. У всех КИ этого типа, даже спроектированных для линий 11 кВ, наблюдается такое же значительное ухудшение характеристик, но не всегда на одних и тех же участках.
Процесс разрушения идет наиболее интенсивно на краях ребер, на оболочке в промежутках между ребрами в средней части КИ и наиболее часто в местах соединения с оконцевателем. Как ни странно, для КИ этого типа не зарегистрированы импульсы тока 150 мА; это указывает, что те участки оболочки, которые не подверглись повреждению, еще сохраняют хорошую гидрофобность. КИ с оболочкой из тройного сополимера подвергаются такой же эрозии, как КИ 132 кВ типа F с оболочкой из силиконового каучука и КИ с оболочкой из эпоксидной смолы, что приписывается физическим процессам, связанным с электролизом раствора соли на поверхности КИ. Для предотвращения такой эрозии у оконцевателя в КИ типа Н (прототип изделия) использована короткая фарфоровая вставка между полимером и металлом.
У других типов КИ различные формы повреждений, характерные для ранних конструкций, не наблюдаются у современных конструкций (см. табл. 2). Не найдено доказательств, подтверждающих, что отсутствие экранных колец отрицательно влияет на характеристики старения КИ при напряжении 230 кВ. Значения ФМ являются близкими к значениям ФМ фарфоровых изоляторов. Это подтверждает, что использование КИ может привести к более компактным ВЛ. Кроме того, при одинаковой длине КИ имеют лучшие характеристики перекрытия при загрязнении, чем традиционные изоляторы. Однако степень этого преимущества может снижаться при более глубоком развитии процесса старения.
Корреляция между характеристиками перекрытия КИ на 500 кВ и токами утечки на соответствующих КИ на 230 кВ плохая. Однако следует отметить, что относительная длина пути утечки 21 мм/кВ для КИ на 230 кВ, находящихся под напряжением 275 кВ, меньше, чем для изолятора на напряжение 500 кВ, имеющего относительную длину пути утечки 16 мм/кВ, при напряжении перекрытия.
Во Франции с 1975 г. многочисленные изоляторы, изготовленные разными фирмами, проходят испытания в естественных условиях на станциях Martiques (промышленные загрязнений морской климат) и St. Remy des Landes (морской климат, чистый воздух) для определения долговременных характеристик при электрическом и климатическом воздействиях и оценки справедливости результатов лабораторных испытаний на старение. Испытания проводили без механической нагрузки. Большинство испытываемых изоляторов были КИ с оболочками из разных материалов (например, силиконового каучука, политетрафторэтилена, сшитого тройного этиленпропилендиенового сополимера), небольшую часть составляли литые эпоксидные изоляторы.
В табл. 4 приведены основные характеристики изоляторов и условия испытаний. Эти испытания дали убедительные доказательства, что поведение КИ обусловлено либо качеством материала оболочки, либо недостатками процесса производства. Были установлены различные формы старения (эрозия, мелование, разрушение по линии шва, образующегося при формовании, трекинг, повреждение поверхности оболочки).

Таблица 4. Результаты испытаний КИ в естественных условиях (Франция)

Продолжение таблицы 4

В течение нескольких лет проводилась регистрация числа и амплитуды импульсов тока утечки, однако строгой корреляции между этими параметрами и степенью старения оболочки КИ установить не удалось. Некоторые материалы, на которых наблюдались большое число импульсов и более высокие максимальные значения тока, не более быстро подвергаются старению, чем материалы, для которых характерно меньшее число импульсов и менее высокие импульсы тока. Был сделан вывод, что лучшим показателем старения является энергия импульса и что необходимо вести исследования в этой области. На станции Le Minervois были проведены испытания тупиковых изоляторов без электрической нагрузки при воздействии очень сильной вибрации под действием ветра и крайне неблагоприятных атмосферных условий, а также при механической нагрузке, составляющей около 20% предела прочности при растяжении. За два года испытаний не произошло ни одного случая хрупкого разрушения КИ.
На станции Porto Marghera, находящейся в районе сильного совместного воздействия промышленных загрязнений и морского климата, проходили испытания два КИ на 132 кВ с оболочкой из политетрафторэтилена (ПТФЭ) и эпоксидной смолы при максимальном рабочем напряжении. Перекрытия наблюдались приблизительно через один год. После этого последовательно с КИ был установлен керамический изолятор для того, чтобы предотвратить перекрытия и иметь возможность исследовать развитие процесса старения. После более чем 5 лет испытания в этих условиях у КИ с оболочкой из ПТФЭ практически все ребра оказались пробитыми. У КИ с оболочкой из эпоксидной смолы обнаружены разрушение стержня и сильный трекинг и эрозия, главным образом вблизи оконцевателя, находящегося под напряжением.
Несколько гирлянд КИ было установлено на ультра-высоковольтной испытательной станции в Suvereto. Каждая гирлянда состояла из пяти последовательно соединенных КИ того же типа, которые находятся в эксплуатации. Каждый ряд гирлянд подвергали воздействию растягивающей нагрузки от 28 до 36 кН и напряжению на гирлянде от 100 до 500 кВ (действ.), как правило, в течение 5 000 ч в год. После шести лет было установлено хрупкое разрушение стеклопластикового стержня у двух КИ из разных гирлянд одного ряда, такое же, которое происходит при эксплуатации.