Виброакустический контроль механического состояния фарфорового опорно-стержневой изоляции и покрышек выключателей

Достаточно серьезной отраслевой проблемой остается относительно высокая повреждаемость фарфоровых опорно-стержневых изоляторов в составе разъединителей 35-500 кВ. Опыт эксплуатации показывает, что технологические нарушения, влекущие к разрушениям фарфоровых опорно-стержневых изоляторов, нередко приводят к серьезным последствиям: отключению системы шин подстанций, аварийному отключению подстанций, снижению нагрузки электростанции, а также создают угрозу персоналу энергопредприятий при выполнении переключений. Поэтому остается актуальной проблема определения механического состояния изоляторов (диагностика).

а

Диагностика механической прочности изоляторов возможна при использовании следующих видов неразрушающего контроля [1,2,3]:

• радиоволновой контроль;
• оптический контроль;
• радиационный контроль;
• акустический контроль;
• контроль проникающими веществами.

Наиболее распространенным в энергетике является акустический контроль.

Для акустического контроля механической прочности изоляторов по характеру взаимодействия физических полей с контролируемым объектом используются следующие методы [1]:

• акустико-эмиссионный метод (силовое возбуждение);
• метод отраженного излучения (эхо-метод);
• метод прошедшего излучения;
• метод свободных колебаний;
• резонансный метод.

Следует заметить, что ни один из перечисленных методов диагностики не дает исчерпывающего заключения о длительности (долговечности) безаварийной работы изоляторов в конкретных условиях эксплуатации. Тем не менее, каждый из методов обладает несомненными достоинствами и при правильном использовании каждый из них может быть полезен.

При использовании акустических методов диагностики оцениваются следующие параметры:

• структура материала объекта;
• механическая жесткость объекта.

Контроль механической жесткости изолятора осуществляется виброакустическими методами. При этом контролируются либо частоты свободных колебаний, либо резонансные частоты колебаний изолятора. По частотному спектру колебаний изолятора проводят оценку его прочности.

Остановимся на методе резонансных колебаний, положенном в основе методики виброакустического контроля механического состояния изоляторов, разработанной специалистами НПО «Логотех». Методика позволяет определять механическое состояние изоляторов без отключения оборудования.

Электротехнический фарфор является композиционным материалом, состоящим в основном из кварцевых частиц, распределенных в стеклообразной матрице. В процессе изготовления изолятора эти частицы подвергаются воздействию значительных растягивающих напряжений, возникающих при охлаждении фарфора после обжига из-за разных коэффициентов линейного расширения двух материалов. При действии этих напряжений могут зарождаться микротрещины в кварцевых частицах, стеклообразной матрице и на их границах. Этот процесс, в некоторой степени, характерен даже для доброкачественных изделий. Воздействие на изолятор внешней силы приводит к появлению в нем дополнительных напряжений, разрушению новых частиц и скачкообразному росту микротрещин [3]. Наличие микротрещин приводит к изменению геометрических характеристик сечений изоляторов (уменьшение площади сечений, уменьшение статических моментов инерции и т.п.), которые тесно связаны с жесткостными характеристиками изоляторов. Изменение жесткости изолятора приводит к изменению собственных частот колебаний[4,5,6, 7]. Поэтому основным критерием сохранения механической прочности опорно-стержневого изолятора является неизменность во времени его амплитудно-частотных характеристик [8].

В настоящее время в различных регионах России, Китая, Украины и Молдавии обследовано виброакус- тическим методом более 1 ООО ООО колонок изоляторов (под колонкой понимается как единичный изолятор, так и конструкция из двух и более последовательно соединенных изоляторов), из них около 300 ООО колонок обследовано более двух раз.

Результаты обследования показали:

• однотипные изоляторы, которые находятся в удовлетворительном состоянии, имеют одинаковые характеристики вне зависимости от завода-производителя и страны, где расположен этот завод;
• долговечность изоляторов тесно связано с климатическими условиями, в которых эксплуатируется изолятор (в условиях высокой влажности и больших перепадов температур от положительных до отрицательных время эксплуатации изоляторов значительно меньше, чем при положительных температурах и малой влажности);
• интенсивность повреждений изоляторов существенно выше на плохо отрегулированных разъединителях (взаимный монтажный перекос ножей, чрезмерная затяжка ножей, переключение осуществляется импульсными усилиями и т.п.).

В процессе эксплуатации изоляторов отмечено три вида повреждений изоляторов:

• разрушение фарфорового тела (район нижнего фланца ~75%, район верхнего фланца ~25%);
• разрушение армировочного шва (полное или частичное выкрашивание);
• разрушение фланцев (сквозные трещины).

Причинами появления дефектов, приводящих к повреждению изоляторов, являются:

• климатические факторы (воздействия перепадов температуры и влажности);
• развитие скрытых дефектов изготовления, которые не выявляются на заводе-изготовителе даже при формальном соответствии изоляторов всем требованиям действующей нормативно-технической документации;
• технологические нарушения при эксплуатации.

Рассмотрим физическую суть метода определения механической жесткости изолятора на примере колебаний консольно защемленной балки.

На рисунках 1 и 2 изображены:

• схемы колебаний неповрежденной балки (рисунок 1а) и балки с трещиной до нейтрального слоя в районе заделки(рисунок 2а);
• траектории движения свободного конца неповрежденной балки (рисунок 1б) и балки с трещиной (рисунок 2б);
• эпюры восстанавливающих усилий (механических напряжений) по опасному (поврежденному) сечению балок(рисунки 1в, 2в).

Сравнивая рисунки 1 и 2, замечаем, что сумма восстанавливающих сил при раскрытой трещине значительно меньше, чем при закрытой (рисунок 2в) и, следовательно, время движения балки до замыкания трещины превышает время движения до размыкания (рисунок 26). При вычислении (измерении) частот колебаний неповрежденной и поврежденной балок увидим, что колебания неповрежденной балки (рисунок 1) происходят с частотой f1 = 1/2t1, а в колебаниях поврежденной балки (рисунок 2) присутствуют две частоты f1 = 1/2t1 и f2 = 1/2t2. Не трудно заметить зависимость между размерами трещин и частотами колебаний балки. Это наблюдение указывает на основной параметр диагностики. Чем больше размеры трещины, тем ниже частота колебаний балки f2.

Рисунок 1. Неповрежденная балка

Рисунок 2. Балка с трещеной до нейтрального слоя в районе заделки

Эти рассуждения позволяют определить критерии прочности изолятора при использовании вибро-акустических методов, при этом необходимо учесть, что истинная величина прочности каждого изолятора индивидуальна. Технологический разброс геометрических размеров, неоднородность материалов и прочие причины не позволяют точно оценить исходное состояние прочности каждого изолятора. Поэтому используются относительные характеристики, в частности, сравнение между собой частот собственных колебаний изолятора в различные промежутки времени. Если по истечении некоторого времени частоты собственных колебаний изолятора не изменились, то изолятор сохранил исходный уровень прочности. Наиболее удобной характеристикой, по нашему мнению, является амплитудно-частотная характеристика. Таким образом, основным критерием сохранения прочности опорно-стержневого изолятора является неизменность во времени его амплитудно-частотных характеристик.

Общеизвестно, что реакция системы на воздействие возмущения, имеющего плоский спектр («белый шум») повторяет форму амплитудно- частотной характеристики данной системы. Поэтому при диагностике механического состояния фарфоровых опорно-стержневых изоляторов возбуждение колебаний осуществляется вибрацией, имеющей плоский спектр.

При проведении анализа результатов измерений необходимо знать зависимость между контролируемым параметром (в нашем случае оценка СПМ) и степенью повреждения изолятора. Такая зависимость получена при проведении ускоренных испытаний изоляторов на заводе ОАО «ЭЛИЗ» г. Пермь. На рисунке 3 показаны оценки СПМ вибрации изолятора после получения повреждения различных степеней в районе нижнего фланца.

Рисунок 3. Оценки СПМ реакции изолятора после получения повреждения различных степеней в районе нижнего фланца. Масштаб — линейный.

Комментарии к рисунку 3:
СПМ 1 — исходное состояние.
СПМ 2, СПМ 3, СПМ 4, СПМ 5 — незначительные повреждения, появление дополнительных пиков, изолятор в удовлетворительном состоянии.
СПМ 6 — появление повреждения в районе нижнего фланца изолятора, рост интенсивности спектра в диапазоне частот ниже 3000 Гц, изолятор в удовлетворительном состоянии.
СПМ 7, СПМ8,СПМ9 — развитие повреждения в районе нижнего фланца, рост интенсивности спектра в диапазоне частот ниже 3000 Гц, появление дополнительного пика на частоте 5000 Гц, снижение интенсивности спектра на частоте стоячей волны, изолятор в неудовлетворительном состоянии.
СПМ 10 — существенное повреждение в районе нижнего фланца, предаварийное состояние, значительный рост интенсивности спектра в диапазоне частот ниже 1500 Гц, наличие дополнительного пика на частоте 5000 Гц, значительное снижение интенсивности спектра на частоте стоячей волны, изолятор в предаварийном состоянии.
СПМ 11 — критическое повреждение в районе нижнего фланца, аварийное состояние изолятора с потерей несущей способности более чем в 20 раз по отношению к исходному состоянию, значительное снижение интенсивности спектра на частоте стоячей волны, значительный рост интенсивности спектра на частоте 5000 Гц, наличие пиков в недиагностируемом диапазоне частот ниже 1000 Гц, изолятор в аварийном состоянии перед его полным разрушением.

В общем случае диаграммы на рисунке 3 характеризуют «жизненный цикл» изолятора от исходного состояния до полного разрушения в результате повреждения в районе нижнего фланца. В процессе эксплуатации развитие последних фаз повреждения в изоляторе может происходить достаточно интенсивно, поэтому отследить полный цикл разрушения изолятора не всегда представляется возможным. Опыт проведения обследований опорностержневой изоляции показал, что изоляторы, имеющие предаварийное состояние, способны как сохранять прочность более двух лет, так и разрушиться в течение двух недель.

В случае повреждения изолятора в районе верхнего фланца характерными особенностями являются дополнительные пики в диапазоне частот выше 8000 Гц, интенсивность которых повышается по мере развития повреждения при снижении интенсивности спектра на частоте стоячей волны.

Для колонки изоляторов характерно наложение «уникальных» частот каждого изолятора в колонке, что приводит к наличию нескольких пиков в диапазоне частоты стоячей волны. При этом на оценке СПМ сложно точно идентифицировать соответствие какой-либо частоты спектра вибрации колонки изоляторов частотным характеристикам конкретного изолятора в этой колонке. Тем не менее, наличие даже одного неисправного изолятора в колонке приводит к разрушению всей колонки изоляторов. Более точно локализовать дефект возможно после демонтажа и разборки колонки.

Все вышеизложенное справедливо и для покрышек маломасляных выключателей, но в этом случае применяется отдельная методика проведения работ.

Для реализации виброакустического контроля механического состояния фарфоровой опорно-стержневой изоляции и покрышек маломасляных выключателей в НПО «Логотех» разработан и внедрен в эксплуатацию мобильный индикаторный комплекс МИК. Комплекс МИК эксплуатируется с 2003 года, как в России, так и в странах ближнего и дальнего зарубежья. За время эксплуатации комплекса МИК на энергопредприятиях, где специалисты диагностических служб освоили и активно применяют методику НПО «Логотех», установлен полный контроль механического состояния фарфоровой опорностержневой изоляции и исключены случаи аварийного разрушения изоляторов. Использование комплекса МИК позволяет в короткие сроки выполнять диагностику большого количества изоляторов без отключения рабочего напряжения.

Список литературы:

1. ГОСТ 18353-79, «Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов».
2. «Методы и средства контроля опорно-стержневой фарфоровой изоляции высоковольтных разъединителей», Кухтиков В. А., Воротницкий В. Э., Демин А. Н., Энергетик, 2002 г., № 9.
3. «Методические указания по эксплуатационному контролю механического состояния фарфоровых опорно-стержневых изоляторов разъединителей 110 кВ и выше и фарфоровых покрышек высоковольтных воздушных и масляных выключателей», Кухтиков В. А., Воротницкий В. Э., Демин А. Н., Шейкин А. А., Отчет, Шифр 316-8-064/4 от 05 апреля 2003 г.
4. «Прочность, устойчивость, колебания», Справочник, Под редакцией И. А. Биргера и Я. Г. Пановко, Москва, 1968 г.
5. «Сопротивление материалов», Беляев Н. М., Москва, 1956 г.
6. «Теория колебаний», Бабаков И. М., Москва, 1968 г.
7. «Вибрации в технике», Справочник, Под редакцией В. В. Болотина, Москва, 1978 г.
8. «Методические указания по контролю механического состояния опорностержневых фарфоровых изоляторов 110-220 кВ под рабочим напряжением», ОАО «ФСК ЕЭС», 2005 г.