Несомненно, одним из значимых элементов электрооборудования электрических сетей, в том числе и на ВЛ являются стержневые изоляторы. Качество применяемых изоляторов, правильность их выбора по типу и количеству, их надежная работа - составляющая бесперебойности и качества поставок электроэнергии. Зачастую от надежности стержневых изоляторов зависит здоровье, а то и жизнь персонала обслуживающего электроустановку.
Поэтому основным ориентиром при выборе наиболее надежных изоляторов для высоковольтных линий электропередачи становится их соответствие принципу «повесил и забыл», что означает минимальный объём диагностики и профилактических мероприятий.
До настоящего времени в электроэнергетике применялись исключительно фарфоровые и стеклянные стержневые изоляторы. Но сегодня на рынке электротоваров России начался стремительный рост предложений изоляторов изготовленных из полимерных материалов.
Но все же количество полимерных изоляторов, применяемых на объектах электроэнергетики России, пока что составляет около 10 % от общего числа установленных изоляторов. Энергетики все еще опасаются массового применения полимерных изоляторов на линиях напряжением более 220 кВ. И возможно не зря. Например, зафиксированы случаи когда на линиях напряжением свыше 110 кВ оконцеватели просто обрывались, а на линиях 35-110 кВ случалось их возгорание.
А так как производство изоляторов из полимеров не требует ни значительных финансовых вложений, ни каких-то особых помещений, как при производстве изоляторов из фарфора или стекла, рост числа предприятий работающих с полимерами насколько значителен, что уже превысил число заводов выпускающих фарфоровые изоляторы. Да собственно и назвать их предприятиями будет некоторым преувеличением, так как полимерные изоляторы можно изготавливать и в небольшой мастерской.
И в этом таится значительная опасность, незаметная, возможно, на первый взгляд. Ведь из-за кажущейся простоты процесса изготовления изоляторов из полимерных материалов за их производство берутся очень многие предприниматели, не имеющие порой ни малейшего понятия об электроэнергетике. В лучшем случае нарушения технологических процессов в производстве изоляторов однозначно приводят к отказам полимерных изоляторов в процессе их эксплуатации. Но ведь и жизнь обслуживающего персонала при этом подвергается опасности.
Такие предположения получили свое подтверждение при достаточно широком опыте эксплуатации первого поколения изоляторов изготовленных из некерамических материалов. Излом хрупкого стеклопластикового стержня, эрозия защитной оболочки, трек и т.д. Очень часто приводили, в лучшем случае, к перекрытиям изоляторов, но известны случаи и более тяжелых аварий, в результате которых на земле оказывались высоковольтные провода.
Многочисленные аварии и повреждения на линиях электропередач, где использовались некерамические изоляторы, вынудили их производителей прекратить производство. Некоторые предприятия, в поисках новых возможностей при производстве изоляторов, пытались улучшать как их конструкцию, так и технологию их изготовления. Не секрет, что и конструкция существующих изоляторов, и технология их производства («шашлычное» оформление рёбер защитной оболочки) имеет некоторые недостатки. Поэтому часть производителей изоляторов по пути разработки и освоения новой технологии изготовления защитной оболочки изолятора — формование за один цикл цельнолитых конструкций.
Технология изготовления, которую применяют разные производители, рецептура композиций полимерных материалов имеют различную степень разброса, что не лучшим образом влияет на выбор изоляторов для эксплуатации в различных условиях. Казалось бы, одинаковые начальные электрические и механические характеристики изоляторов от разных изготовителей, через несколько лет эксплуатации могут быть абсолютно разными по надёжности работы.
Следствием применения различных добавок и наполнителей, которые используются при изготовлении материала для защитной оболочки изоляторов, термином «кремнийорганическая резина» можно обозначить широкий набор абсолютно различных по свойствам, материалов. И как подтверждается международным опытом эксплуатации полимерных изоляторов, причисление их к классу «кремнийорганический» есть ещё далеко не достаточной гарантией их надёжной работы при эксплуатации в электроэнергетике.
Положение ухудшается и тем, что в действующих нормативных документах на полимерные изоляторы, в отличие от нормативных документов на керамические изоляторы, отсутствуют технические требования к материалам, из которых изготавливаются составные части изоляторов, за исключением арматуры.
И хотя опыт эксплуатации линейных изоляторов второго поколения из полимеров еще весьма ограничен, что не позволяет с уверенностью говорить о надежности или ненадежности таких изоляторов, некоторые мнения уже неоднократно высказывались в средствах массовой информации. Единственно о чем можно говорить уверенно так это то, что каждый отказ изолятора сопряжен с необходимостью его замены.
«Хрупкое разрушение» стержня и пробой изоляторов под оболочкой составляют максимальное число причин отказов, как и разрушение стержня от действия частичных разрядов. Вызываются такие отказы главным образом проникновением влаги через соединение изоляционной детали с металлическим оконцевателем, растрескивание стеклопластика вызванного перегревом стержня при литье оболочки и проникновение влаги через оболочку. Согласитесь, что отыскать место повреждения линии очень сложно, на установление повреждения и проведение восстановительных работ потребуется значительное количество времени.
Вопросы, повязанные с ресурсом полимерных изоляторов, долгосрочной надёжности материалов, которые используются при их производстве и т.д. Требуют дополнительного изучения, лабораторных испытаний, и опыта эксплуатации в реальных условиях. Только тогда возможной станет выработка единого мнения о достоинствах и недостатках полимерных изоляторов.
Но все же наблюдается мировая тенденция отказа потенциальных потребителей от применения полимерных изоляторов как недостаточно надёжных, руководствуясь опытом своих коллег или собственным опытом. Не секрет что и фарфоровые и полимерные изоляторы, обладают рядом недостатков. Но все же положительных признаков у керамических изоляторов больше.
Полимеры есть продуктом органической химии. Химические и физические и свойства непрерывно изменяются, что вызвано не прекращающимся химическим процессом, продолжающимся до полного распада полимеров на мономеры. Из-за старения полимера и при повышенных температурах уменьшается механическая прочность. Ультрафиолетовое излучение и солнечная радиация ускоряет старение полимера. Подвержен влиянию практически всех выбросов металлургических и химических производств. Водопроницаемый и пожароопасный материал.
Механические свойства. У разных изоляторов значение прогиба в момент приложения усилия изгиба может быть разной. Поэтому полимерные изоляторы крайне нежелательно применять в разъединителях класса напряжения 220 кВ и более. Как показал опыт эксплуатации, даже незначительные повреждения полимерных изоляторов нарушают их электрические характеристики, что вызывает ускоренное старение полимерных изоляторов. Из-за старения полимерных материалов и при повышенных температурах уменьшается механическая прочность.
Электрические свойства. На поверхности изолятора из-за электрических разрядов возможно появление треков и, как следствие, эрозия. Из-за старения полимерных материалов неизменно уменьшается электрическая прочность. Разгерметизация изолятора может привести к его пробою, как по воздушному промежутку полости трубы, так и по внутренней поверхности трубы изолятора.
Эксплуатационные свойства. Незначительный вес. Более стойки к актам вандализма, однако существует возможность повреждения защитной оболочки при эксплуатации острыми предметами, как и при упаковке и транспортировании. Для предотвращения повреждения защитной оболочки при монтаже необходимо соблюдать осторожность. Отсутствие гарантий качества, эффективности в работе и безопасности из-за несоблюдения технологии при изготовлении изоляторов мелких фирмами, не имеющими необходимого инструментария контроля. Диагностика изоляторов довольно дорогостоящая, но не всегда позволяет выявить имеющиеся скрытые дефекты. Низкое качество нанесенного цинкового покрытия не сохраняет оконцеватели некоторых изоляторов от возникновения ржавчины, после пяти- десятилетнего периода эксплуатации.
Можно уверенно говорить, что пока что отсутствие опыта эксплуатации полимерных изоляторов в течение достаточно длительного времени их производства свидетельствует не в их пользу.
Фарфор является продуктом неорганической химии. Химические и физические свойства материала остаются с течением времени неизменными, так как химические реакции закончились при температуре 1300ºС. В течение всего срока эксплуатации, механическая прочность не изменяется. Материал изолятора устойчив к ультрафиолетовому излучению и солнечной радиации, как и ко всем, кроме плавиковой кислоты, агрессивным химическим выбросам промышленных предприятий. Нулевая водопроницаемость и негорючесть материала.
Механические свойства фарфора – отсутствует деформация в момент приложения усилия изгиба. Для фарфора не существует термина «остаточная деформация». Температура эксплуатации изолятора практически не влияет на его механическую прочность.
Электрические свойства. На материал изолятора не оказывают влияния поверхностные электрические разряды. Со временем электрические свойства изолятора не изменяются. Высокие диэлектрические свойства фарфора практически исключают пробой изолятора.
Эксплуатационные свойства. Значительная масса. Транспортировка изоляторов требует особого внимания, так как из-за хрупкости изоляторов высока вероятность боя их посторонними предметами. Стабильность технологического процесса обеспечивает высокую надёжность изолятора. Фарфоровые изоляторы практически невозможно изготовить в кустарных условиях. Для контроля состояния изоляторов при процессах изготовления и эксплуатации достаточно достоверных и эффективных методик. Повысить качество и продолжить срок службы арматуры и оконцевателей возможно при применении технологий термодиффузионного покрытия и горячего оцинкования. Налажен входной и выходной контроль качества цинкового покрытия.
Хотя наибольшая доля изоляторов, находящихся в эксплуатации приходится на фарфор, изоляторы из закаленного стекла начинают их вытеснять.
Преимущества стеклянных изоляторов:
Не требуют периодических испытаний под напряжением, потому что любое повреждение закаленного стекла приводит к разрушению изолирующей тарелки, которое легко обнаружить при обходе линии электропередачи эксплуатационным персоналом;
Процесс изготовления этих изоляторов может быть полностью автоматизирован;
их прозрачность позволяет без проблем обнаружить дефекты при осмотре.
По эксплуатации можно сказать, что разрушение стеклянной части изолятора не является критическим фактором: поскольку сама гирлянда при этом остается целой и какое-то время еще может эксплуатироваться. Но если разрушение идет по механической части, с расцеплением гирлянды, что приводит к обрыву провода — это уже экстренный случай, и необходим оперативный выезд бригады для замены поврежденного участка. По фарфору ситуация аналогичная, с той лишь разницей, что на стеклодетали пробой визуально определить проще.
Критические факторы состояния линейных стеклянных изоляторов:
- электрический пробой изолятора;
- механическое разрушение изолятора или его стеклянного элемента;
- изменение степени загрязненности окружающей среды в месте расположения объекта и не соответствие изолятора существующей степени загрязненности окружающей среды.
У всех типов изоляторов применяемых на ВЛ, имеются свои достоинства и недостатки, в настоящее время и без учета конкретных условий эксплуатации, рейтинг можно распределить следующим образом:
1. стеклянные,
2. фарфоровые,
3. полимерные.
