какие изоляторы лучше фарфоровые или полимерные
Достоинства и недостатки различных типов изоляторов для ЛЭП
В современной энергетике передача электроэнергии от мест её производства к потребителям осуществляется по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) напряжением до 750 кВ и выше. Большое значение имеет надежность работы линий электропередачи и всего комплекса оборудования: трансформаторов, генераторов, коммутационной аппаратуры, компенсирующих устройств и т.д. В значительной мере решение этой задачи обеспечивается надежной работой изоляции электрических систем и оборудования, в частности правильным выбором типа изоляторов, которые в будущем будут эксплуатироваться на проектируемой линии.
По материалу применяемого диэлектрика изоляторы делятся на фарфоровые, стеклянные и полимерные.
Самыми распространенными изоляторами, в настоящее время, являются фарфоровые и стеклянные, причем изоляторов из закаленного стекла в настоящее время выпускают больше, чем фарфоровых. Это объясняется тем, что изоляторы из закаленного стекла имеют ряд преимуществ перед фарфоровыми: технологический процесс их изготовления может быть полностью автоматизирован и механизирован; прозрачность стекла позволяет легко обнаружить при внешнем осмотре мелкие трещины и различные внутренние дефекты; применение стеклянных изоляторов позволяет отказаться от проведения в процессе эксплуатации периодических профилактических испытаний гирлянд под напряжением, так как каждое повреждение закаленного стекла приводит к разрушению изолирующей тарелки, которое легко обнаружить при обходе линии электропередачи эксплуатационным персоналом.
Наибольшей механической прочностью обладают полимерные (стеклопластиковые) изоляторы, что делает их применение, особенно при ультравысоких напряжениях, используемых в электроэнергетике, весьма перспективными. К числу преимуществ полимерных изоляторов также можно зачислить – высокую устойчивость к атмосферным загрязнениям, гидрофобность, простоту и удобство монтажа, высокую стойкость к перенапряжениям, высокая вандалоустойчивость, а также полимерные изоляторы обладают сниженным весом (более чем на 90%) по сравнению со стеклянными и фарфоровыми изоляторами.
Однако наряду с преимуществами также преобладают и недостатки в эксплуатации полимерных изоляторов – технология их изготовления еще недостаточно стандартизирована и отсутствует общепринятая единая система производства, отсутствие материала, который бы в достаточной мере удовлетворил требованиям, предъявляемым к нему, а также практически отсутствует опыт длительной эксплуатации данного вида изолятора.
В различных публикациях и на страницах Интернета, ведется обсуждение преимуществ, а также пути и методы решения задач устранения недостатков, которыми обладают полимерные изоляторы. Анализ и сделанные выводы показывают, что зарубежные специалисты более серьезно относятся к широкому применению полимерных изоляторов, в частотности ведется сбор информации, касающейся случаев выхода из строя и повреждаемости полимерных изоляторов. Исходя из собранной и обработанной информации производится анализ, систематизация и классификация причин повреждений и дефектов при эксплуатации полимерных изоляторов. Так на одной из страниц Интернета можно увидеть иллюстрированную таблицу, в которой рассмотрены наиболее часто встречающие дефекты и повреждения полимерных изоляторов.
Характеристика изолятора
Канада
Европа
Латинская Америка
Южная Африка
Австралия
Среднее,
в т.ч. по другим
странам
Поведение в условиях загрязнения
Хорошие механические и весовые характеристики
Внешний вид (дизайн)
У многих специалистов, эксплуатирующих электрооборудование, наиболее часто обсуждаемым вопросом является долговечность полимерного изолятора. В настоящее время, в зарубежных странах, с целью изучения свойств долговечности эксплуатации изолятора, проводится исследования по искусственному старению стеклопластика. Следует отметить, что результаты значительно расходятся с практическими данными.
Из произведенных опытов стало понятно что, долговечность тесно связана со степенью чистоты на поверхности изоляторов, и надо отметить, что для продления срока эксплуатации необходимо все-таки прибегать к очистке от образующихся загрязнений. Очистку изоляторов производят разнообразными способами – прибегают к обмыву под высоким давлением цельнолитых и модульных полимерных изоляторов, множество конструкций полимерных изоляторов позволяет применять периодическую сухую чистку, причем материалом для чистки может послужить обыкновенная дробленая кукуруза. В случае сильного загрязнения поверхности защитной оболочки изолятора можно прибегнуть к чистке ветошью или мягкой щеткой с применением воды. Мнения по вопросу повышенной грязестойкости у полимерных изоляторов специалистов многих стран расходятся, хотя как показывает практика, в районах с минимальным количеством загрязнений в атмосфере и экологически чистых районах после проведенных наблюдений необходимо отметить, что загрязнения имеют место скапливаться на поверхности полимерного изолятора, находящегося в эксплуатации и подвешенного в гирлянде ВЛ.
Еще одной проблеме, которой уделяется повышенный интерес, это явление «хрупкого излома» стержня изолятора. «Хрупким изломом» называется явление, при котором происходит химическая реакция между стеклопластиком и активными химическими веществами, в особенности кислотными растворами. Объясняя другими словами, хрупкое разрушение происходит при обмене ионами стеклянной решетки с ионами кислот, в сочетании с действием и механической нагрузки. Следует добавить, что активные вещества в различной концентрации находятся в воздухе и активно вступают в реакцию при обычном атмосферном воздействии. Так, например, вследствие прохождения электрических разрядов во влажном воздухе, так называемые токи утечки, образуется азотная кислота, которая вступает в реакцию с ионами стеклянной решетки полимерного изолятора. Как отмечают многие исследователи, занимающиеся изучением свойств достоинств и недостатков полимерных изоляторов, химическому разрушению более подвержены районы, у которых наблюдается повышенное содержание в атмосфере промышленных и химических выбросов, а также прилегающие районы с постоянно обдуваемыми их ветрами, в составе которых присутствует повышенное содержание множества видов солей.
Одним из достоинств полимерных изоляторов является надежность и удобство транспортировки. Однако и здесь присутствуют свои особенности. Некоторые из них: длительное пребывание ребер в деформированном состоянии может привести к потере их геометрической конфигурации; попадание на защитную оболочку изолятора агрессивных и загрязняющих веществ, не характерных для эксплуатационных загрязнений, может привести к частичной или полной потере эксплуатационных качеств; механические воздействия на защитную оболочку могут стать причиной её разгерметизации или повреждений, а также излома стержня, что приведет к потере работоспособности изолятора. Поэтому, предлагается использовать специальную транспортную тару. Это могут быть сплошные или решетчатые ящики, морские и железнодорожные контейнеры или специально разработанная тара для условий, которые исключают попадание агрессивных веществ (кислот, щелочей, растворителей, морской воды и т. д.), а также загрязнений и повреждений составных частей, упаковки и транспортной тары изготовителя. Зарубежные же специалисты выдвинули вариант транспортировки одного изолятора в контейнере из трубы ПВХ материала, но, к сожалению, это создает определенные неудобства.
Допускается транспортирование изоляторов в открытых кузовах автомобилей и других транспортных средств, в т.ч. без упаковки и транспортной тары изготовителя при условии наличия защиты от загрязнения (например, брезента и т.п.). При отсутствии транспортной тары рекомендуется хранение изоляторов в вертикальном положении. Однако, во всех случаях транспортирования и хранения должны приняты меры для исключения деформирования и повреждения составных частей изоляторов, например, посредством раскрепления за оконцеватели каждого из них деревянными брусками, планками, и т.п., ограничивающими их перемещение и контакт между собой.
По информационным данным зарубежных специалистов рекомендуется проводить испытания перед вводом в эксплуатацию напряжением в 1,5 раза больше эксплуатационного. Эта рекомендация связана со случаями перекрытия вновь установленных и введенных в эксплуатацию полимерных изоляторов. Следует отметить, что зарубежными исследователями ведется статистика в табличной форме, в которой охарактеризованы причины использования полимерных изоляторов. Таким образом, видно, что причина, которая побуждала бы массово использовать данный вид изолятора, отсутствует. Также по информационным данным необходимо отметить, что большинство зарубежных стран, за исключением европейских, признают повышенные антивандальные свойства, удобства транспортировки, а также достоинства при эксплуатации в экологически загрязненных районах, однако в то же время экономические причины не являются преобладающими.
Все выше описанные проблемы, к сожалению, мало обсуждаются в отечественной литературе. Это связано с уровнем производства полимерных изоляторов, поскольку изготовитель, исходя из логических размышлений, может потерять рынок сбыта, тем самым не стремится показывать недостатки, и пытается избежать излишнего интереса к проблемным вопросам со стороны потребителя.
На фоне множества рекламных акций достоинств полимерных изоляторов у потребителя сложилось ошибочное мнение, что полимерный изолятор является универсальным и сфера его применения практически не ограничена и что керамические изоляторы, эксплуатация которых ведется уже десятилетиями, являются устаревшими и не соответствуют предъявляемым к ним требованиям. Необходимо отметить, что сложившаяся ситуация может повлечь за собой серьезные проблемы с вытекающим отсюда последствиями.
Не возможно не упомянуть и о сравнительных свойственных характеристиках стеклянных и полимерных изоляторов. Принято считать, что основными недостатками стеклянных изоляторов являются ненадежная транспортировка, недостаточная антивандальная устойчивость и низкая ударопрочность. Причем ударопрочность стеклянных изоляторов повысить практически невозможно, то проблемы антивандализма и транспортировки подлежат дальнейшим обсуждениям.
Под проблемой антивандализма скрывается невозможность стеклянных изоляторов противостоять расстрелам, точнее преднамеренной стрельбе по ним оружий, в частности охотничьего ружья. Но по свидетельским данным персонала, эксплуатирующего данный вид изолятора эта проблема существования, так называемых «расстрелов», является сильно преувеличенной. Гирлянда с полным отсутствием изоляторов или частично в большом количестве осыпавшимися изоляторами явление довольно редкое. В большинстве случаев это отсутствие в гирлянде одного, реже двух рядом расположенных стеклянных изоляторов. Это можно объяснить тем, что на расстоянии 30-40 метров охотничья дробь рассеивается в диаметре около одного метра. Но при более точном выстреле вероятность повреждения более двух изоляторов довольно высокая. Из полученного опыта, можно сказать то, что дробь или пуля, попадающая в ребро юбки полимерного изолятора, либо застрянет, либо пройдет «навылет». А, попав дробью в стержень, последний разгерметизируется, при этом еще и повреждается оболочка. Однако, как показали испытания изолятора типа ФСК-70-6-27,5-А4, этот изолятор в сухом виде может выдержать испытательное напряжение 140 кВ, а, если изолятор ко всему еще, и увлажнен, то он перекроется при напряжении порядка 100-105 кВ. Таким образом, из полученных данных делается вывод, что характеристика снижается на 25—28%.
В то же время, производить осмотр подвергшихся «расстрелам» полимерных изоляторов необходимо с применением специальных оптических приборов, позволяющих рассмотреть с земли и обнаружить повреждения, практически очень сложно. Поэтому чтоб антивандальные свойства реально проявили себя в действии необходимо устанавливать их на небольшом расстоянии от поверхности земли.
Анализируя случаи повреждения линейных стеклянных изоляторов, которые в последнее время участились, необходимо принять во внимание, что данный вид изоляторов эксплуатируется 30 и более лет, и требует замены. Однако наряду с этими причинами существуют и другие. Одна из них произошла в 90-е годы ХХ в. в те времена, когда происходил развал бывшего СССР. В тот период истории происходила коммерциализация энергетической отрасли. Когда всеобщее внимание было направлено на обсуждение и решение политических вопросов, произошло ослабление контроля, которое привело к появлению фирм, которые «спекулировали» продавая старые изоляторы, под видом новых. Такие изоляторы не проходили положенных испытаний перед вводом в эксплуатацию и необходимо признать, что порой на рынок продаж шел некондиционный товар и некачественные подделки. И как следствие такая продукция имела место попасть в эксплуатацию на ВЛ. Но даже с учетом этих обстоятельств, согласно сравнительной характеристике количества отказов в год между стеклянными и полимерными изоляторами цифры не значительно разнятся.
Типы изоляторов, их достоинства и недостатки, применение
В энергетике на сегодняшний день используется одновременно несколько типов изоляторов: фарфоровые, стеклянные, полимерные. У каждого из них есть определённые достоинства и недостатки. В настоящий момент больше всего оборудования и ВЛ оснащены фарфоровыми изоляторами, но постепенно осуществляется повсеместный переход на более современные стеклянные и полимерные изделия.
Необходимо отметить, что самыми дешёвыми по себестоимости изготовления являются полимерные изоляторы, однако по сравнению с другими типами они обладают существенным недостатком, а именно значительно меньшей надёжностью и особенно стабильностью свойств.
Под действием окружающей среды (солнечная радиация, ультрафиолетовое излучение) и просто со временем в процессе постепенного распада соединений на мономеры полимерные изоляторы изменяют свои как механические, так и электротехнические характеристики. Если оборудование регулярно подвергается осмотру и обслуживанию, то эта особенность полимерных изоляторов не является проблемой. Для оборудования с длительным сроком эксплуатации, в котором проводники находятся в труднодоступных местах, предпочтительнее использовать стеклянные или фарфоровые изоляторы. Это касается в первую очередь высоковольтных линий, для которых использование полимеров на сегодняшний день является скорее исключением из правил, нежели нормой.
Фарфор в отличие от полимеров сохраняет свои характеристики практически неизменными в течение всего срока эксплуатации, поскольку для активации химических реакций необходимо нагреть его хотя бы до 1300 ºС. Он также может успешно применяться в агрессивных средах, например, в большинстве кислот, устойчив к опасным выбросам предприятий. Не подвержен горению и полностью водонепроницаем. Электрические свойства остаются неизменными с течением времени. Благодаря высоким диэлектрическим свойствам фарфора пробой изоляции практически исключён.
Среди недостатков фарфора можно отметить большой вес, сложность транспортировки по сравнению с пластиковыми изоляционными материалами, хрупкость. Для продления срока эксплуатации на фарфоровые изоляторы наносится слой оцинковки или термодиффузионного покрытия.
Закалённое стекло характеризуется ещё большей хрупкостью, чем фарфор, но имеет ряд существенных преимуществ. Производство стеклянных изоляторов, как правило, полностью автоматизировано. Они не нуждаются в периодических испытаниях, поскольку даже малейшие дефекты благодаря прозрачности материала легко обнаружить при периодическом осмотре. Благодаря относительной дешевизне производства и простоте контроля стеклянные изоляторы сегодня вытесняют с рынка фарфоровые.
Какие изоляторы предпочесть?
В настоящее время на рынке изоляторной продукции конкурируют традиционные фарфоровые и стеклянные изделия и новые, полимерные изоляторы. Последние обладают рядом бесспорных преимуществ, хотя и традиционные типы из употребления не вышли. Арматурно-изоляторный завод (Лыткарино) – единственный производитель, выпускающий и стеклянные, и полимерные изоляторы, – предлагает рассмотреть все их достоинства и недостатки.
Традиционно для изоляции высоковольтных проводов на напряжение 10‑20 кВ применяются штыревые изоляторы.
Все штыревые изоляторы в России до 2005 года изготавливались из фарфора. Фарфор является наиболее древним электроизоляционным материалом. До 70‑х годов прошлого века все изоляторы изготавливались из фарфора. Основной областью применения электротехнического фарфора было изготовление подвесных тарельчатых изоляторов типа ПФ-6, ПФ-70, ПФ-12 и др. С разработкой в 1970‑х годах стеклянных изоляторов фарфор стал все меньше применяться в качестве электроизоляционного материала. Последние исследования выявили неизбежное старение фарфора и возникновение микротрещин в электроизоляционном теле. Этого недостатка полностью лишены изоляторы из электротехнического стекла.
При возникновении мельчайших внутренних дефектов происходит полное разрушение стеклянной детали. При этом сам изолятор остается механически прочным.
В стеклянном изоляторе исключено возникновение микротрещин и других дефектов. В настоящее время сложно найти на высоковольтных линиях 110‑750 кВ подвесные фарфоровые тарельчатые изоляторы. Однако на линиях электропередачи 10‑20 кВ до последнего времени наиболее массовым изолятором оставался штыревой фарфоровый изолятор ШФ-10, ШФ-20.
Ситуация изменилась, когда Лыткаринский арматурно-изоляторный завод в 2005 году освоил производство стеклянного изолятора ШС-10Д. На заводе при освоении было многое сделано впервые в России. Например, впервые в России было сварено электротехническое стекло малощелочного состава С-9, идентичного применяемому составу для высоковольтных изоляторов во Франции. Для производства высоковольтных изоляторов впервые была запущена автоматизированная, роботизированная линия немецкого производства. Впервые при варке электротехнического стекла было применено принудительное перемешивание для лучшего осветления стекломассы, впервые был произведен штыревой стеклянный изолятор в России.
Преимущества нового изолятора первыми оценили специалисты нефтегазового сектора. Они первыми применили этот тип изоляторов в проектах для вдольтрассовых линий электропередачи, а именно там, где очень сложно обслуживать и где требуется надежность работы электрической изоляции в сложных климатических и природных условиях. Изолятор использовался для класса напряжения 10 кВ; на линии электропередачи 20 кВ изолятор был не рассчитан. С 2005 года завод выпустил более миллиона изоляторов этого типа.
Успешное применение и опыт эксплуатации стеклянных изоляторов на напряжение 10 кВ типа ШС-10Д и пожелания электроэнергетиков дали возможность Лыткаринскому арматурно-изоляторному заводу в начале 2009 года разработать и освоить высоковольтный стеклянный изолятор на 20 кВ типа ШС-20Д. Изолятор сразу нашел применение не только у нефтегазовых компаний. Возможность применения на класс напряжения 20 кВ, а также возможность прямой замены изоляторов ШФ-20 на современные стеклянные сделала этот изолятор популярным у электроэнергетиков во всех районах нашей страны.
Неоспоримым преимуществом стеклянных изоляторов является:
• отсутствие скрытых дефектов внутри изоляционного тела. Каждый изолятор проходит оптический контроль на отсутствие пузырьков в силовой головке изолятора;
• контроль изоляторов на угол поляризации проходящего света позволяет гарантировать отсутствие внутренних напряжений, стабильные электроизоляционные свойства, недостижимые в керамике;
• стеклянные изоляторы не стареют, в теле изолятора со временем не появляются микротрещины;
• стеклянные изоляторы можно быстро идентифицировать на линии при их выходе из строя.
Автоматизированное производство методом прессования стеклянной массы является высокопроизводительным. Ручной труд полностью исключен. Производство же фарфорового изолятора методом обточки валюшки производится вручную. Это позволяет значительно снизить стоимость стеклянного изолятора.
Лыткаринский арматурно-изоляторный завод в настоящее время разрабатывает штыревые изоляторы из закаленного стекла с возможностью сигнализации о месте пробоя на линии электропередачи. Разрабатываются также изоляторы, совмещенные с ограничителями перенапряжения для эффективной защиты линий 10‑20 кВ от ударов молний во время грозового периода.
Приглашаем все заинтересованные организации к сотрудничеству.
Изоляторы типа ШПУ
В 2005 году арматурно-изоляторный завод (город Лыткарино) по заказу предприятий нефтегазового сектора освоил производство полимерных изоляторов
типа ШПУ.
При их разработке ставилась задача создания высоконадежных штыревых изоляторов, отвечающих высоким требованиям по электрической, термической, эрозионной, механической и дуговой стойкости, способных работать длительное время без затрат на обслуживание ВЛЭП, легких и удобных в монтаже. В фарфоровых изоляторах до 33 процентов выхода их из строя, как правило, связано с силовым узлом в месте соединения металлического штыря и фарфора. В усиленных полимерных изоляторах ШПУ использованы не только новые материалы, но и новые конструктивные решения, ранее нигде в мире не применявшиеся. Найденные технические решения заложили основу для создания на заводе нового класса полимерных подвесных и проходных изоляторов.
В результате научных исследований было создано «квазитвердое» состояние кремнийорганической резины при больших давлениях, что позволило заменить в изоляторах твердые диэлектрические материалы (стекло, фарфор, стеклопластик) на силиконовую резину. «Твердые» механические свойства резины, необходимые для безаварийной работы всей конструкции изолятора, достигаются благодаря тому, что резина между колпаком и штырем находится в напряженном сжатом состоянии. Механическую нагрузку от металлического колпака вниз и в стороны воспринимает металлический штырь через слой сжатой резины. В этом случае работа изоляционного тела аналогична работе сайлентблока в автомобильной подвеске.
В изоляторе ШПУ резина находится под большим давлением между колпаком и металлической трубой. Изолятор имеет минимально возможное количество деталей: металлическую трубу, надеваемую на штырь траверсы, которая заземлена, диэлектрическую трекингостойкую прокладку из силиконовой резины и металлического колпака, на котором монтируются провода под электрическим потенциалом. Термическая стойкость такого изолятора составляет более 350 градусов, и ограничена только термостойкостью силиконовой резины и температурой плавления металла колпака и металла трубы. Такая термическая стойкость недостижима ни одним традиционным изолятором.
Материалы, конструкции и методы монтажа выпускаемых заводом ШПУ защищены патентами на изобретения: № 2293388 «Высоковольтный штыревой изолятор», приоритет 14.06.2005 года, № 2291506 «Штыревой изолятор», приоритет 10.03.2006 года, № 2301470 «Штыревой полимерный изолятор», приоритет 20.07.2005 года, № 2319243 «Штыревой изолятор с креплением провода спиральной вязкой», приоритет 19.09.2006 года, № 2319244 «Штыревой изолятор со спиральной упругой проволокой для крепления провода», приоритет 14.09.2006 года, № 2320043 «Спиральный зажим с резьбовым креплением к штыревому изолятору» от 08.11.2006 года, № 2323495 «Штыревой кремнийорганический изолятор и способ его крепления на траверсу», приоритет 05.12.2006 года, № 2332740 «Штыревой кремнийорганический изолятор с оконцевателем», приоритет 13.12.2006 года.
Конструкция изолятора ШПУ позволяет отказаться от традиционных способов крепления изоляторов на штырях траверсы с помощью пропитанной суриком пакли или полиэтиленовых колпачков. Необходимость их применения была вызвана разнородностью материала штыря и изолятора (металла и фарфора), различными коэффициентами их термического расширения, невозможностью изготовления точной по размерам резьбы в фарфоровых изоляторах из‑за их усадки во время обжига, хрупкостью фарфора и стекла.
Электроизоляционная деталь нового изолятора типа ШПУ сама является демпфирующей прокладкой, компенсирующей возможные разные коэффициенты температурного расширения материала колпака и трубы. Вследствие этого изолятор может выдерживать перепады температуры до 300 градусов, что на порядок выше, чем у всех существующих изоляторов. Монтаж изоляторов типа ШПУ осуществляется надеванием металлической трубы изолятора на штырь и затягиванием винта стягивающего хомута. Время монтажа не превышает 30 секунд. Упругие свойства изолятора и отсутствие хрупких деталей позволяют транспортировать изоляторы без боя. Уменьшение их веса дает экономию на транспортных расходах. Применение кремнийорганической оболочки из силиконовых резин позволяет применять изоляторы в регионах холодного климата.
Изоляторы применяются при ремонте линий электропередачи на напряжение 10‑20 кВ взамен фарфоровых изоляторов типа ШФ-20. Монтаж изоляторов производится на те же штыри, на которых были установлены изоляторы ШФ-10, ШФ-20. Высокая надежность и долговечность подтверждены опытом эксплуатации. Возможность применения в труднодоступных районах делает изоляторы незаменимыми для использования в нефтяной и газовой промышленности. Более высокая стоимость изоляторов ШПУ в сравнении окупается уже на этапе монтажа, в дальнейшем их экономический эффект будет расти благодаря сокращению расходов на обслуживание.