16 января 2018
 
2020  

 

Перспективы применения стеклянных изоляторов с гидрофобным покрытием

Оцените материал
(1 Голосовать)
Ким Е. Д.– профессор, доктор технических наук;
Шеленберг М. В. – ООО «СКТБ по изоляторам и арматуре»
Трифонов В. З. – ФГУП «ВЭИ»
 
   Линейные изоляторы из закаленного стекла являются наиболее распространенными на высоковольтных воздушных линиях электропередачи, что обусловлено их высокой электрической и механической прочностью и простотою визуализации дефектных элементов в гирлянде. Но существуют локальные области, характеризующиеся повышенной степенью загрязненности атмосферы, в которых стеклянные изоляторы не способны обеспечивать надежной работы на требуемом уровне. Сюда можно отнести территории, примыкающие к предприятиям тяжелой и химической промышленности, районы с природными солончаками, прибрежные зоны с возможными морскими уносами и др. Конденсация ионообразующих загрязнений на поверхности твердого диэлектрика приводит к возрастанию поверхностных токов утечки, под действием которых происходит частичное разрушение поверхности диэлектрика, что, в свою очередь, ускоряет процесс осаждения загрязняющих аэрозолей. В результате: изоляторы либо разрушаются «преждевременно», либо теряют изолирующую способность и гирлянда перекрывается даже при рабочем напряжении, часто  наблюдаются эти события практически одновременно. Как позывает опыт, профилактические меры по смыву загрязнений и максимальное увеличение длины пути утечки изолирующей конструкции не дают ожидаемого положительного эффекта, кроме того они трудоемки и весьма затратны.

Опыт эксплуатации подстанционной изоляции с гидрофобным покрытием

   На сегодня наиболее эффективным техническим решением повышения надежности работы внешней изоляции в условиях интенсивного загрязнения является применение полимерных изоляторов с защитной оболочкой из кремнийорганической смеси. Многолетним опытом эксплуатации установлено, что гидрофобность силикона может сохраняться в течение долгих лет без каких-либо признаков ограничения срока службы благодаря тому, что полимеры с низким молекулярным весом и слабой энергией связи, но обеспечивающие  гидрофобность, могут диффундировать из объема оболочки на её поверхность. Таким образом, гидрофобные свойства защитной оболочки изолятора трансформируются на осаждаемый слой загрязнения, что препятствует процессу накопления загрязнения. Вместе с тем отсутствие надежного способа диагностики состояния соединения по границе «стрежень – защитная оболочка» и самого несущего элемента - стержня  сдерживает повсеместное использование полимерных изоляторов.

   Нанесение на наружную изоляцию гидрофобных покрытий является одним из профилактических мероприятий, направленных на восстановление и повышение ее разрядных характеристик. Одним из перспективных направлений в этой области стало применение покрытий на основе силиконовых компаундов холодного отверждения, RTV резины. Важное достоинство таких покрытий заключается в том, что при попадании на поверхность стекла или фарфора происходит ориентация метильных групп (-СН3) в сторону внешней поверхности покрытия, которые и обуславливают их гидрофобные свойства. Кроме того прочность связи Si – Oосновной цепи силиконовых полимеров больше прочности связей C – Si и C – H, следовательно  процессы окисления и деструкции будут преимущественно идти по боковым цепям и функциональным группам.

ris1 Рис. 1. Нанесение гидрофобного покрытия на изоляцию ОРУ-330 кВ Кураховской ТЭС

   Полученный   к середине   90-х  годов  положительный опыт эксплуатации покрытий на основе однокомпонентных кремнийорганических эластомеров в районах с высокой степенью загрязненности дал новый толчок к всестороннему изучению свойств данного типа покрытий и исследованиям по улучшению их эксплуатационных свойств [1, 2]. В настоящее время накоплен большой положительный мировой опыт  применения покрытий наружной изоляции полимерными эластомерами холодного отвердения (RTV) как экономически оправданный  способ восстановления и усиления изоляции. Нельзя не отметить, что среди стран СНГ наиболее широко RTV-технологии применяются в электросетях Украины [3]. Так большая часть подстанционной изоляции, включая ОРУ-330 кВ, расположенных в местах  преимущественных уносов летучих выбросов,  это восточные регионы страны, поддерживается  не нанесением гидрофобной пасты или жидкости, а образованием твердого силиконового покрытия (рис. 1).

Опыт применения RTV покрытия на ВЛ

   Известно, что с конца 1990-х, основываясь на положительном опыте эксплуатации полимерных изоляторов, ISA и REP - одни из крупнейших международных транспортеров электрической энергии в Латинской Америке, стали внедрять технологию полимерных изоляторов в своих сетях [4]. Изоляторы устанавливали на  проблемных участках линий, проходящих вдоль морского побережья, а также  пустынных прибрежных равнин с субтропическим климатом, высокой влажностью и малым количеством осадков. Результаты не оправдали ожиданий. Так, например, в период 1996-2009 около 12 000 изоляторов было установлено на линиях электропередачи 220 кВ вдоль побережья. С 2004 года всего было зафиксировано 17 случаев отказов на линиях электропередачи по причине механических разрушений изоляторов.По мнению экспертов,  конечной причиной отказов являлись образование азотной кислоты внутри изоляторов под воздействием высокого уровня загрязнения, высокой влажности и электрического напряжения.

   Электросетевые компании вынуждены были находить альтернативы этим  изоляторам. ISA выбрали полимерные изоляторы нового поколения с улучшенной конструкцией, выполненные из кислотостойких стержней с применением технологии радиального сжатия с контролем деформации. В то же время компания REP предпочла стеклянные изоляторы с RTV силиконовым покрытием. Ключевым аргументом в пользу выбора изоляторов из закаленного стекла с покрытием из силиконовой резины являлась простота контроля:  не требуется специального оборудования кроме  визуального осмотра для оценки состояния изолятора. Чтобы избежать штрафов из-за перебоев в работе линий, обе компании замену изоляторов проводили под напряжением, для чего предварительно была разработана соответствующая технология.

   Выбор того или иного вида изоляторов зависит от многих факторов: от традиции, от особенности географических и климатических условий, от загрязненности атмосферы.  В электросетях Китая в последние годы отмечается существенно опережающее применение полимерных изоляторов, что можно видеть по обобщенным данным высоковольтных сетей Китая (табл.1) [5].  

                                                                                                                                        Таблица № 1

                   Данные эксплуатации линейных изоляторов в  сетях 66 кВ и выше в Китае

Изолятор Суммарно по 2012 г. От 2007 по 2012 г.г.
  Установлено Повреждено Установлено Повреждено
Фарфоровый

37,7 %

0,059 % 26,4 % 0,04 %
Полимерный

37,0 %

0,068 % 43,7 % 0,04 %
Стеклянный

25,0 %

0,020 % 29,5 % 0,01 %
Фарфоровый длинно-стержневой

0,30 %

0,044 %

0,40 %

0,02 %

 

   В северо-западных и северных районах Китая, где изоляторы  подвержены относительно большим загрязнениям, полимерные изоляторы нашли большее применение. Следует отметить, что в Китае количество композитных изоляторов  на вновь строящихся линиях ультравысокого напряжения переменного и постоянного тока  (т.е. 1000 кВ, 750 кВ, ±800 кВ и ±500 кВ) составляет более чем 55% всех изоляторов, находящихся  в обслуживании. Более высокая устойчивость к загрязнениям позволяет заметно уменьшить высоту порталов, таким образом удается  существенно снизить капитальные затраты на строительство таких линий.

ris2 Рис. 2. Гирлянда изоляторов с гидрофобным покрытием на ВЛ500 кВ в провинции Хубей (Китай)

   Вместе с тем, наблюдаемый уровень отказа полимерных изоляторов (см. табл. 1), отсутствие простых и надежных способов контроля скрытых дефектов не способствовали применению композитных изоляторов для некоторых китайских энергетических компаний, особенно на линиях сверхвысоких напряжений. В этой связи проводились исследования, направленные на применение стеклянных изоляторов с RTV покрытием. Такие работы велись практически параллельно с освоением технологии восстановления подстанционных фарфоровых изоляторов. Как отмечено в [5], бесспорное  преимущество покрытий RTV на фарфоре или стекле заключается в том, что они комбинируют надежные механические свойства неорганических изоляторов с превосходной стойкостью к загрязнениям силиконовой резины. На данный период их главным недостатком считается  высокая цена изделия.  Действительно, для вновь строящейся линии, гидрофобизированные  RTV резиной изоляторы явно дороже, чем  композитные изоляторы. Однако, для существующих линий стоимость нанесения покрытия находящихся на линиях изоляторов воспринимается  как приемлемая по сравнению затратами  по замене на полимерные изоляторы. С повышением качества и надежности покрытия многие поставщики электроэнергии более склонны, чем когда-либо, чтобы воспользоваться изоляторами с покрытием RTV на важных линиях высоковольтной передачи. Например, компания Tianjin Power Bureauприменила полимерное покрытие изоляторов линий 220 кВ, питающих столицу - Пекин. Кроме того, для натяжных изоляторов  в районах с высоким загрязнением все чаще стали применять гирлянды стеклянных изоляторов  с  RTV покрытием (рис.2).

   Всемирно известная компания Sediver более 20 лет поставляет изоляторы из закаленного стекла с гидрофобным RTV покрытием,  на данный период она реализовала свыше 1 200 000 шт.  Эти изоляторы успешно эксплуатируются в различных энергосистемах на ВЛ вплоть до класса 500 кВ в условиях интенсивных загрязнений, преимущественно в на линиях, проходящих вдоль морского побережья [6]. 

                                                                                                                                         Таблица № 2

                          Эксплуатация стеклянных изоляторов с RTV покрытием производства Sediver    

Энергокомпания Начало эксплуатации Условие эксплуатации
Катар - MEW 1996 г. Область со смешанным загрязнением
Италия - Terna 2004 г. Побережье с высоким морским загрязнением
Франция - EDF 2008 г. Побережье с высоким морским загрязнением
Англия - NG 2008 г. Область с высоким уровнем загрязнений
Норвегия - Statnett 2010 г. Побережье с высоким морским загрязнением
Перу - Abengoa 2011 г. Побережье с высоким морским загрязнением

   Как показывает опыт работы стеклянных изоляторов с гидрофобным покрытием [6], отпала  потребность чистки изоляции, хотя такое мероприятие предусматривалось  на аналогичных линиях (см. табл. 2). При этом отмечается, что затраты, понесенные при покупке таких изоляторов, компенсируются исключением процедуры осмотра композитных изоляторов, выполняемые преимущественно методом верхового осмотра.

Лабораторные и полевые исследования

   Созданию производства по выпуску стеклянных изоляторов с RTV покрытием в Sediver   предшествовали всесторонние исследования [7] при непосредственном участии специалистов компании Terna, высоковольтных лабораторий Stri (Швеция) и Bazet (Франция) по трем основным аспектам:

- эрозионной стойкости материала покрытия;

- гидрофобности при различных экстремальных внешних воздействиях;

- устойчивости к загрязнению.

   Особый интерес представляют накопленные в течение 20 лет  данные мониторинга   состояния RTV покрытия на  стеклянных изоляторах. Испытуемые образцы продемонстрировали общее хорошее сохранение гидрофобных свойств - в том числе в тяжелых районах, где  чистка ранее выполнялась почти ежеквартально. Было установлено локальное снижение гидрофобности вокруг стержня изолятора на стороне высокого потенциала, что не удивительно, учитывая распределение электрического поля вдоль гирлянды, что не могло влиять на стойкость всей изоляции.

ris3 Рис. 3. Внешний вид гирлянды изоляторов и испытательного оборудования

   Для сравнения испытывались в камере чистого тумана  (рис. 3) две гирлянды по четыре изолятора каждая: одна из изоляторов с покрытием после 20 лет эксплуатации в условиях,характеризующихся сочетанием пустыни, морских и промышленных загрязнений; вторая - из новых изоляторов без покрытия, но искусственно загрязненных в одинаковой степени с первой по плотностям нерастворимых (NSDD) и солевых составляющих загрязнений (ESDD). Гирлянда из искусственно загрязненных изоляторов показала в среднем разрядные напряжения на уровне 72 кВ. В то же время при этих же условиях испытания,  гирлянда изоляторов, демонтированных после  20 лет  службы, перекрывалась при напряжении не ниже 240 кВ.

   В настоящее время некоторые мировые производители стеклянных изоляторов в перечень выпускаемой продукции включают изоляторы с гидрофобным покрытием. Однако отсутствие общепринятых технических условий и соответствующих методов оценки регламентируемых параметров отчасти препятствуют распространению новых изделий. Представляется закономерным, что общий подход в разработке дополнительных технических требований, относящихся к защитным функциям   покрытия, должен основываться на существующих нормативных материалах для композитных изоляторов. Сюда можно отнести трекинго - эрозионную стойкость покрытия, определяющую срок службы в экстремальных условиях,  внешние электрические характеристики при различных условиях загрязнения. Трудность заключается в том, что, например, по первому показателю сами методы испытания, нормированные для полимерных изоляторов, могут быть приняты практически без купюр. Однако  критерии приемки должны быть скорректированы, поскольку, как отмечено в [5, 6], предельные размеры повреждения оболочки для композитного изолятора не являются критическими для неорганических изоляторов с RTV покрытием, поскольку закаленное стекло или фарфор сами по себе являются стойкими к внешним воздействиям диэлектриками. Поэтому частичное разрушение покрытия не может привести к ускоренному выходу из строя всей изоляционной конструкции, как это имеет место в случае полимерных изоляторов.

  Некоммерческое партнерство «Электросеть изоляция», объединяющее ведущих отечественных производителей арматуры и изоляторов для сетевых объектов, стало инициатором разработки современных нормативно-технических документов для стеклянных тарельчатых изоляторов с гидрофобным покрытием. Данная инициатива нашла поддержку в ПАО «Россети» и разработка двух СТО ПАО «Россети» «Изоляторы линейные подвесные тарельчатые с гидрофобным покрытием» включена в план создания СТО ПАО «Россети» на 2016-17 гг.

ris4 Рис. 4. Результаты испытаний стеклянных изоляторов «ЮМЭК» в условиях соляного тумана и обледенения - оттаивания: БП- без покрытия; П1- RTV покрытие Terna; П2-RTV покрытие ЮМЭК

Разработчиками СТО являются специалисты двух ведущих отечественных производителей стеклянных изоляторов – «ЮАИЗ» и «ЮМЭК», активное участие в подготовке новых документов принимают представители ПАО «НТЦ ФСК ЕЭС» и испытательного центра «ВЭИ».

   В марте 2016 года в испытательном центре ФГУП ВЭИ успешно завершены сравнительные испытания стеклянных тарельчатых изоляторов производства ЗАО «ЮМЭК»  с гидрофобным покрытием и без него. Проведенные испытания (определение выдерживаемых напряжений в атмосфере соленого тумана при различной концентрации соли в растворе и определение разрядных и выдерживаемых напряжений в условиях обледенения и оттаивания) показали преимущества изоляторов с гидрофобным покрытием в сложных климатических условиях.

   На  рис. 4 представлены данные испытаний стеклянных изоляторов производства «ЮМЭК» с RTV покрытием, выполненным, в том числе, в Италии по технологии Terna – Sediver, на стойкость к соляному туману. Там же приведены результаты пробных испытаний изоляторов, составленных в гирлянды по 3 элемента в каждой,  в условиях, имитирующих оттаивание изоляторов после их обледенения. Представляется целесообразным для линейных изоляторов тарельчатого типа из фарфора или из закаленного стекла с гидрофобным покрытием требования стойкости к различным видам загрязнений нормировать для коротких гирлянд (например, из 5-ти элементов). При этом соответствующие  методы испытания, определяющие эти характеристики, должны быть адаптированы для объективного учета гидрофобных свойств изоляторов.

  Из гистограмм можно отметить незначительный эффект - всего лишь 5%-10% превышения измеряемых напряжений по сравнению с изоляторами без защитного слоя. Следует отметить, что к аналогичным результатам приводят испытания изоляторов в условиях предварительного твердого загрязнения по существующим методикам, при которых одним из условий является постоянство параметров загрязнений на объекте в течение всего процесса испытания, что априори нивелирует свойство смачиваемости поверхности диэлектрика.

  В упоминаемой выше работе [6] приведены результаты испытаний коротких гирлянд (из 5-ти элементов) с предварительным твердым загрязнением, выполненных по рекомендации Stri. 

ris5 Рис. 5. Результаты испытания гирлянды из 5-ти изоляторов с RTV покрытием с твердым загрязнением, с плотностью 0,1 мг / см2

  По сути, процедура испытания соответствовала известной методике по МЭК 60507, но отличие состояло в том, что дискретный подъем напряжения проводился с маленьким шагом, около 5% от расчетной величины разрядного напряжения (рис. 5). Весь цикл получения конечного результата на одном объекте составил около 100 мин, при этом контроль состояния слоя загрязнений не проводился.  Поэтому можно предположить, что за период проведения испытаний изоляторы с RTV покрытием значительно больше «утратили» загрязнение, чем изоляторы без покрытия, таким образом удалось оценить  более реалистичный эффект гидрофобности RTV слоя. В приведенном примере выдерживаемые напряжения существенно отличались между собой: 132 кВ против 76 кВ (см. рис. 5).

  На фоне положительного опыта эксплуатации стеклянных изоляторов с RTV покрытием на ВЛ переменного тока  отмечается активизация исследования работоспособности этих изоляторов на линиях постоянного тока.  По данным [8] с 2009 г. около 2000 шт. изоляторов с защитным покрытием успешно проходят опытную эксплуатацию на ВЛ  200 кВ на участке Tuscany, который входит в единую систему Terna. Программа испытаний включает в себя следующие мероприятия:  визуальная инспекция; оценка гидрофобности; оценка уровня загрязнения; измерение проводимости слоя загрязнения; измерение толщины покрытия. В этой связи особый интерес представляют результаты испытаний напряжением постоянного тока в условиях соляного тумана. При равных параметрах испытания (80 г/л - соленость тумана) гирлянды изоляторов из закаленного стекла с RTV покрытием показали себя более устойчивыми, чем  длинностержневые полимерные изоляторы, несмотря на ощутимо меньшие геометрические параметры. Возможно, в будущем изоляторы из закаленного стекла с RTV покрытием составят также серьезную альтернативу для полимерных изоляторов и на высоковольтных линиях постоянного тока.

Выводы

   Расширение рынка полимерных изоляторов обусловлено их общепризнанными преимуществами, это в первую очередь гидрофобность, что определило область их применения, на линиях ВЛ, подтвержденных сильным загрязнениям. Однако, наблюдаемый отказ этих изоляторов, с одной стороны, отсутствие надежного способа обнаружения скрытых дефектов, с другой стороны, ограничивают их повсеместное использование, особенно, на ответственных линиях.

   Использование изоляторов из закаленного стекла с RTV покрытием можно рекомендовать как альтернативное техническое решение применению полимерных изоляторов для изоляции ВЛ с интенсивными загрязнениями, характеризующееся простотою дефектирования. Частичные повреждения силиконового слоя, трактуемые как критические для полимерного изолятора, не представляют опасности для гирлянды в целом.

   Несмотря на относительно высокие цены на изоляторы с RTV покрытием, их применение позволит увеличить надежность линий электропередачи в районах со сложными климатическими условиями и интенсивным загрязнением по сравнению с традиционными тарельчатыми изоляторами. Отмечается тенденция, свидетельствующая о том,что изоляторы из закаленного стекла с силиконовым покрытием теперь выбирают не только для решения проблем загрязнения на существующих линиях,но с учетом сокращения средств на обслуживание, и на стадии проектирования новых ответственных линий.

Список литературы

1. Ravi S. Gorur  Investigation of Field Energized RTV Coated Porcelain Insulators – NGK Rev: Overseas Ed. – 1995, № 19, c. 34-37.

2. Cherney E.A., Kim S.H., Hackam R. The loss and recovery of hydrophobicity of RTV silicone rubber insulator coatings // IEEE Trans. Power. Deliv. – 1990 – 5, N3 – c. 1491-1499.

3. Ким Ен Дар, Пономарев П.Е.  Опыт эксплуатации кремнийорганического покрытия холодного отверждения на подстанциях энергосистем Украины//Электрические сети и системы – К., 2006 – № 3 – С. 32–35.

4. www.inmr.com/south-american-utilities-plan-live-line-replacement-program-solve-problems-composite-insulators/

5. www.inmr.com/coating-line-insulator-with-rtv-silicone/

6. www.inmr.com/silicone-coatings-toughened-glass-insulators/

7. www.sediver.com/...glass/Sediver_coated_insulators.html

Sedicoat, the Sediver RTV silicone coated glass insulators

8. M. Marzinotto, G. Lavecchia, M.R. Guarniere, A. Posati, M. Rebolini, J-M. George, S. Prat,, «DC-toughened glass insulators pre-coated with RTV silicone rubber – field returns from aged samples installed on HVDC lines», IEEE International Conference on Solid Dielectrics, Bologna, Italy, June 30 – July 4, 2013

Прочитано 1013 раз Последнее изменение Понедельник, 05 сентября 2016 14:52

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Подпишитесь на новости для профессионалов

 

Наши подписчики всегда вовремя получают самую достоверную информацию. Узнают первыми о предстоящих событиях и мероприятиях энергетической отрасли. Бесплатно получают эксклюзивные спецвыпуски журнала. Имеют возможность задать любой вопрос и получить быстрый ответ!

Вашу информацию увидят

Хотите выйти на большой рынок? Увеличить географию продаж? Тогда мы Вам поможем!  Воспользуйтесь эксклюзивным предложением, только для организаций, работающих в отрасли!

Позвоните по номеру +7 (495) 645-1241

И получите Ваше персональное предложение!