В предыдущем номере нашего журнала размещен материал об отечественном производителе полимерных изоляторов и изолирующих конструкций ООО «ИНСТА». Среди инновационных конструктивных решений компании в статье упомянуты и новые изоляторы ЛКМ, за разработку которых завод признан победителем прошедшего в рамках Международного форума «Электрические сети» конкурса перспективных разработок в номинации «Высоковольтные изоляторы». Новые изделия в области линейной изоляции — явление заметное, вызвавшее живой интерес у специалистов, поэтому мы обратились на ООО «ИНСТА» с просьбой подробно рассказать о полимерных изоляторах, которые позиционируются предприятием как изоляторы четвертого поколения. Представляем читателям полученную информацию.
Шеленберг М.В., технический директор ООО «ИНСТА»
Коростелев Я.Е., начальник отдела перспективных разработок АО «Энергия+21»
Компания «ИНСТА», входящая в ПО «ФОРЭНЕРГО», создавалась в рамках инвестиционного проекта по организации выпуска в России полимерных изоляторов так называемого третьего поколения повышенной надежности. Освоенная в серийном производстве конструкция была разработана специалистами ООО «СКТБ по изоляторам и арматуре» под руководством выдающегося российского инженера Шеленберга В.Р. и в 2005 году соответствовала всем требованиям мирового рынка, существенно превосходя требования действующих на тот момент отечественных НТД. Можно сказать, что ПО «ФОРЭНЕРГО» и ООО «ИНСТА» стали основоположниками производства и внедрения на электросетевых объектах полимерных изоляторов третьего поколения, что в свою очередь стало способоствующим фактором для совершенствования отечественных НТД (рисунок 1).
Чего в результате удалось достигнуть в конструкции с цельнолитой кремнийорганической оболочкой и ее заходом на оконцеватели?
- Были решены проблемы, связанные с нарушением герметичности узла соединения стержня с оконцевателем. Новая технология обеспечила абсолютную его надежность.
- Существенно снизилась неравномерность напряженности электрического поля.
- Наряду с известными эксплуатационными преимуществами полимерных изоляторов, а именно: снижением массы, живучестью при вандальных воздействиях, отсутствием боя при транспортировке, низким уровнем радиопомех, небольшой трудоемкостью монтажа и низкой ценой, принятые технические решения позволили существенно увеличить объемы применения полимеров отечественными потребителями.
Сегодня можно утверждать, что опыт эксплуатации изоляторов третьего поколения подтверждает правильность принятых технических решений.
Все вышесказанное относится к определенному этапу развития полимерной изоляции. Новые требования нормативно-технической документации, вектор основных заказчиков на повышение надежности электросетевых объектов стали объективными предпосылками для постановки руководством ПО «ФОРЭНЕРГО» перед техническими службами компании новой задачи — разработки полимерных изоляторов следующего поколения, максимально соответствующих предъявляемым требованиям.
В 2020 году специалистами ООО «ИНСТА» с помощью специализированного программного комплекса проведены расчеты электрического поля изоляторов на напряжение 110 кВ и 220 кВ с целью оценки выравнивающих возможностей применяемых защитных экранов, которые подтвердили целесообразность изменения конструкции оконцевателей, а на изоляторах 220 кВ — и изменения конструкции защитных экранов.
Кроме того, стало очевидным, что для повышения надежности и срока службы изоляторов на напряжение 110 кВ и выше необходимо увеличить их стойкость к ветровой вибрации проводов. Результаты проведенных испытаний и данные по эксплуатации подтверждают, что при отсутствии надежной виброзащиты полимерные изоляторы обладают меньшей стойкостью к вибрации, чем остальные элементы ВЛ. То есть для повышения стойкости линии электропередачи с полимерными изоляторами к вибрации необходимо повысить стойкость к вибрации самих изоляторов. Очевидно, что одним из путей существенного повышения стойкости полимерных изоляторов к вибрации является разработка технических решений, позволяющих снизить величину изгибных деформаций изоляторов.
Можно констатировать, что семнадцатилетний опыт применения полимерных изоляторов третьего поколения подтверждает, что наряду с оставшейся нерешенной известной проблемой обнаружения перекрытого или пробитого полимерного изолятора на ВЛ (оценки остаточного срока службы изоляторов в режиме реального времени), остались нерешенными окончательно проблемы снижения вредного воздействия неравномерности электрического поля и повышения стойкости изоляторов к вибрации. На ООО «ИНСТА» прекрасно понимали необходимость разработки и освоения в серийном производстве полимерных изоляторов, обладающих новым уровнем надежности и не имеющих недостатков предыдущего поколения. Пять лет назад на предприятии был дан старт проекту создания полимерного изолятора четвертого поколения, в котором приняли участие конструкторские подразделения нескольких заводов, входящих в ПО «ФОРЭНЕРГО». Была проделана серьезная работа, проведен большой объем испытаний, и сегодня мы можем с уверенностью сказать, что представленная разработка позволила снова сделать большой шаг вперед в области создания изоляторов качественно нового уровня надежности и удобства эксплуатации.
ООО «ИНСТА» предлагает энергетикам полимерные изоляторы четвертого поколения типа ЛКМ на напряжение 110 кВ (рисунок 2) и 220 кВ.
Чем же новые изоляторы ЛКМ отличаются от предшественников?
1. Снижение неравномерности электрического поля. Основным конструктивным решением для выравнивания напряженности поля стало применение оконцевателей новой конструкции, а на изоляторах 220 кВ — применение дополнительно защитных экранов новой конструкции. Следует отметить, что последовательно присоединенные стеклянные тарельчатые изоляторы служат не только основанием для размещения элементов индикатора электрического старения изолирующей подвески, но и дополнительным элементом для снижения напряженности электрического поля полимерного изолятора.
Для подтверждения соответствия рекомендуемым предельным максимальным значениям напряженностей поля в различных конструктивных зонах полимерных изоляторов были проведены работы по моделированию напряженности поля на изоляторах ЛК 220 кВ. Отметим, что первичные рекомендованные CIGRE brochure 284 параметры по мере накопления мирового опыта эксплуатации композитных изоляторов корректировались позднее исследовательскими институтами США и Швеции (таблица 1).
Результаты проведенного моделирования напряженности поля на изоляторах ЛК 220 кВ представлены на рисунках 3 и 4 и в таблице 2.
Сравнение полученных данных проведенных расчетов для изоляторов ЛК 220 кВ с минимальными рекомендуемыми значениями напряженностей поля показывает высокую эффективность применения новой конструкции оконцевателя. Особенно она заметна на контактной границе «стержень-оконцеватель», где отмечается снижение напряженности не менее, чем в семь раз, что очень важно с точки зрения электрического старения стержня.
Рис. 3. Общий вид электрического поля изолятора третьего поколения с экраном (место расположения максимальной напряженности поля) 
Рис. 4. Общий вид электрического поля изолятора четвертого поколения без индикатора и с тем же экраном (место расположения максимальной напряженности поля) 
Рис. 5. Общий вид электрического поля изолятора четвертого поколения без индикатора (место расположения максимальной напряженности поля)
Итогом проведенного моделирования стала разработка новой конструкции экранов для изоляторов на напряжение 220 кВ совместно с оконцевателями новой конструкции (рисунок 5, таблица 3).
2. Индикация состояния. Важным потребительским свойством современного оборудования является его способность к самодиагностике. Индикация состояния полимерных изоляторов является неотъемлемой составляющей современных изоляционных подвесок, которая позволяет обнаруживать случаи электрически поврежденной внутренней изоляции на ранних стадиях потери электрической прочности старения, осуществлять фиксацию фактов перекрытия и т.д. Для обнаружения электрически поврежденных полимерных изоляторов могут применяться индикаторы различных конструкций и принципов действия (рисунок 6).
Используемый в настоящее время в конструкции изолятора четвертого поколения индикатор работает по принципу емкостного накопителя, выполненного на основе стеклянного подвесного изолятора с аэродинамическим профилем. Индикатор при частичном электрическом повреждении полимерного изолятора представляет собой слаботочный разрядник, напряжение срабатывания которого координировано с прогнозируемой глубиной повреждения полимерного изолятора. Результатом срабатывания является генерирование электромагнитных излучений в контролируемом изоляторе за счет емкостного накопителя энергии индикатора с искровым промежутком, встроенного в цепь полимерного изолятора, и последующая регистрация этих излучений с помощью использования приемника радиоволн. Данная система потенциально позволяет организовать мониторинг изоляции в режиме онлайн.
В широком понимании индикации состояния в изоляторах четвертого поколения заложен потенциал, позволяющий выявлять, анализировать и предотвращать внештатные ситуации, свойственные подвесной изоляции. Подвески могут быть оснащены большим спектром оборудования: датчиками тока утечки, индикаторами перекрытия, дугоотводящими электродами, птицезащитными устройствами.
3. Повышение стойкости к ветровой вибрации. Повышение стойкости подвесных полимерных изоляторов четвертого поколения напряжением 110 кВ и выше к ветровой вибрации обеспечивает входящий в конструкцию индикатор, выполненный на основе подвесного стеклянного изолятора (см. пункт 2). Эффективность работы изоляторов четвертого поколения подтверждена проведенными испытаниями на стойкость к ветровой вибрации в Испытательном центре линейной арматуры и высоковольтных изоляторов ООО «ЧЭМЗ» — ООО «МЗВА» (Аттестат аккредитации № РОСС RU.0001.22МН34).
Приведенные в таблице 4 результаты испытаний показывают, что наименьшие значения прогиба в опасных сечениях полимерных изоляторов наблюдаются в случае применения конструкции, состоящей из полимерного изолятора и индикатора на основе подвесного стеклянного изолятора, установленного со стороны провода.
При использовании данной схемы обеспечивается снижение до безопасного уровня прогиба стеклопластикового стержня в опасном сечении (около оконцевателя) как в натяжной, так и в поддерживающей гирлянде. Следует отметить, что применение такого технического решения не исключает необходимости проектирования и установки на ВЛ системы защиты от вибрации проводов (тросов) с использованием гасителей вибрации.
Таким образом, под полимерными изоляторами четвертого поколения инженерами ООО «ИНСТА» предлагается считать полимерные изоляторы, обладающие всеми преимуществами изоляторов третьего поколения, со сниженной неравномерностью электрического поля в зоне нижнего оконцевателя за счет оптимальной конструкции оконцевателей и экранов, снабженные специальным конструктивным многофункциональным элементом для индикации состояния изоляции и повышения вибростойкости изолятора. Дополнительно изоляторы четвертого поколения могут быть снабжены дугоотводными рогами, в том числе интегрированными в экраны, датчиками и индикаторами различных конструкций, разрядниками различных конструкций и птицезащитными элементами.
Следует отметить, что конструктивные решения (конструкции защитного экрана и индикатора состояния), используемые в изоляторах четвертого поколения, защищены патентами РФ.
Подводя итог, можно сказать, что в изоляторах четвертого поколения типа ЛКМ реализованы технические решения (оконцеватели новой конструкции, защитные экраны для изоляторов 220 кВ и индикаторы состояния на базе подвесного стеклянного изолятора), которые позволяют существенно повысить надежность полимерных изоляторов, а значит и электросетевых объектов, которые будут строиться с применением инновационной разработки ведущего отечественного производителя полимерных изоляторов и изолирующих конструкций — ООО «ИНСТА»! 
