В последние два десятилетия в мировой электроэнергетике наблюдается тихопроисходящая революция перехода на полимерную изоляцию. Успехи органической химии в области синтеза новых высокопрочных композиционных материалов привели к появлению нового класса высоковольтных изоляторов. В последние годы производство и применение полимерных изоляторов в электроустановках высокого напряжения во многих странах неуклонно и стремительно расширяется.
Высоковольтные изоляторы, применяемые на воздушных линиях электропередачи (ВЛЭП) и в аппаратах и оборудовании открытых распределительных устройств (ОРУ), должны без старения выдерживать:
а) многократные температурные колебания в сочетании со знакопеременными механическими нагрузками;
б) длительное ультрафиолетовое облучение солнечной радиации;
в) воздействие электрической дуги без образования электропроводных следов (трекингостойкость);
г) действие токов утечки по поверхности в увлажненном и загрязненном состоянии (эрозионная стойкость);
д) воздействие неблагоприятных условий окружающей атмосферы;
е) сильно неравномерного электрического поля;
ж) действия и ошибки персонала при монтаже и эксплуатации.
Изоляторы из традиционных электроизоляционных материалов (стекло, фарфор) долгое время внушали энергетикам уверенность в надежности и стабильности. В действительности опыт эксплуатации и исследования показали неминуемость старения электротехнического фарфора (1), электропроводность поверхностного слоя стекла при увлажнении, разрушение стекла вследствие выщелачивания и электролиза (2), хрупкость этих материалов и др. Последние исследования и разработки конструкций изоляторов из некерамических материалов привели к появлению целого класса нового оборудования – полимерных изоляторов. Линейные и подстанционные изоляторы делятся на несколько типов: композитные (применение нескольких полимерных материалов), цельные (применен один полимерный материал), традиционные (фарфор, стекло) с полимерным покрытием, традиционные с дополнительными полимерными элементами или ребрами.
В России наибольшее применение получили композитные изоляторы, содержащие изоляционное тело из высокопрочного армированного стелоровингом эпоксидного компаунда, металлической арматуры и защитной оболочки. В дальнейшем именно их мы будем рассматривать. Наиболее часто применяются следующие материалы защитной оболочки полимерных изоляторов (в скобках приведены принятые в литературе обозначения): кремнийорганическая резина, силиконовые эластомеры (силиконы) различной модификации (SIR), этилен-пропилен-диен-моно-мер (ЕРDМ), этиленпропиленовый эластомер (EPR), эти лен-виниловый ацетат (EVA), циклоалифатические эпоксидные смолы, эпоксидные компаунды, политетрафторэтилен, тефлон (PTFE), изофлон, модифицированные фторопласты, модифицированный полиолефин, полиолефиновые композиции.
В результате анализа результатов эксплуатации полимерных изоляторов необходимо выделить кремнийорганическую резину, как наилучший материал для защитной оболочки. Применение кремнийорганической резины практически решило вопрос старения полимерных изоляторов, и позволило гарантировать работоспособность изоляторов на протяжении более 30 лет. Это связано с высокой стойкостью силиконовой резины к воздействию кислот и щелочей, стойкостью к ультрафиолетовому облучению, трекинго-эрозионной стойкостью, высокими гидрофобными свойствами. Последнее свойство поверхности приводит к тому, что процесс развития разряда по поверхности затруднен из-за отсутствия сплошной проводящей пленки смачивания. Сухие промежутки между отдельными каплями воды на поверхности изолируют и ослабляют токи утечки. Вместе с отталкиванием воды силиконовые резины отталкивают и загрязнения. Все это приводит к различной природе формирования перекрытия вдоль поверхности полимерных изоляторов и традиционных керамических, различных значений понятия «длина пути утечки». В среднем удельное разрядное напряжение полимерных изоляторов в увлажненном и загрязненном состоянии в среднем в 1,5 раза больше анало гичного показателя изоляторов из керамических материалов. [Riguel G., Fourmique J. M., etc. Studies of the long term performance of composite insulators and of the representatively of ageing tests. CIGRE 1996, Pap 33—304]. При замене традиционных изоляторов на полимерные длина пути утечки может быть снижена от 20% до 50%.[Kindersberger J., Schutz A., Karner H. C., Huir R. V.D. Service performance, material design and applications of composite insulators with silicone rubber housings. CIGRE 1996, Pap. 33—303.] Опыт эксплуатации разных типов полимерных изоляторов в целом по Европе, Северной Америке и России по данным производителей составляет к 2001 году более 2 577 000 изоляторо-лет для класса напряжения 100—200 кВ, более 780 000 изоляторо-лет для классов напряжения 200—300 кВ, и более 320000 на классы 300—500 кВ. При этом истинная цифра намного больше, так как не учитывает большого количества производителей в Китае и Индии. Накопленный опыт позволил энергетикам во всем мире сделать выбор в пользу полимерной изоляции. Бурное развитие этого класса изоляции заставило мировых производителей традиционных изоляторов создать подразделения и направления, связанные с полимерными изоляторами. Так, например мировой лидер в производстве стеклянных изоляторов французско-итальянская группа компаний Seves (бывш. Sediver) начала выпуск полимерных изоляторов, ведущий в мире производитель фарфоровых изоляторов японская компания NGK анонсировало запуск в производство целой серии полимерных изоляторов. Свидетельством признания ведущей роли полимерной изоляции является проводимый в 2005 году в Гонконге «Мировой конгресс по изоляторам, вводам и ОПН», на котором основное внимание было уделено именно полимерной изоляции. Россия на этом Конгрессе была представлена только двумя предприятиями – заводом «Изолятор» им. Баркова и «Арматурно-изоляторным заводом» г. Лыткарино, Московской обл. Первое предприятие представляло в частности новый трансформаторный ввод с твердой полимерной изоляцией. Среди продукции, производимой «Арматурно?изоляторным заводом», полимерные высоковольтные изоляторы занимают ведущее место. Завод выпускает подвесные композитные изоляторы на напряжение до 500 кВ, опорные подстанционные полимерные изоляторы на напряжение до 220 кВ, проходные полимерные изоляторы, штыревые полимерные изоляторы на напряжение до 35 кВ, стержневые опорные (line post). Последнему типу изоляторов на Конгрессе было посвящено более 70% докладов по теме изоляторов. Если подвесные и опорные композитные изоляторы в России эксплуатируются, то стержневые опорные изоляторы не представлены вообще. Однако мнение энергетиков в мире сводится к необходимости применения таких изоляторов на класс напряжения до 230 кВ, а некоторые фирмы как, например Hubbell, Ohio Brass (USA), производят линейные опорные изоляторы типа Hi?Lite на напряжение 345 кВ. При этом считается, что эти изоляторы имеют преимущество перед подвесными по следующим причинам: снижение высоты опор, уменьшение габаритов опор, исключение «хрупкого излома», свойственного подвесным изоляторам. Применение в России данных изоляторов позволит решить проблему увеличения пропускной мощности действующих линий электропередачи. Конструкция изоляторов позволяет их монтировать на существующих стойках ВЛЭП взамен поддерживающих подвесок из подвесных изоляторов и получать линию в габаритах более большого класса напряжения. Например, можно перевести ВЛЭП 10 кВ на напряжение 35 кВ без замены дорогостоящих стоек опор и сокращением строительных работ по замене этих стоек. Кроме этого для таких линий требуется меньший землеотвод, за счет большой компактности ВЛЭП, в большинстве случаев не изменяющийся с увеличением класса напряжения. Решение данной проблемы имеет огромное значение при прохождении ВЛЭП в черте населенного пункта. Можно вспомнить горячие дискуссии вокруг стоимости земли в Москве, находящейся под линиями электропередачи. В надежде, что такие изоляторы займут достойное место в электро энергетике России «Арматурно-изоляторный завод» в 2005 году выпустил изоляторы типа ОЛК-4—10, ОЛК-4—20, ОЛК 4—35 на напряжение 10—35 кВ. Еще одним существенным достоинством этих изоляторов является их надежность, превосходящая традиционные изоляторы в несколько раз. Это дает возможность исключить их обслуживание и проверку в процессе эксплуатации, что очень важно для таких отраслей энергетики как нефтегазовая. В настоящее время готовится к выпуску альбом типовых решений и рекомендации для проектировщиков по применению этих изоляторов. Однако не только российские специалисты перенимали опыт производства и эксплуатации полимерных изоляторов. Конструкция производимых «Арматурно изоляторным заводом» подстанционных опорных изоляторов и опыт их эксплуатации заинтересовали на Конгрессе специалистов Германии и Швейцарии. Это опорные изоляторы типа ОСК-10—110, ОСК-8—220 на напряжение 110 кВ и 220 кВ. Большинство опорных станционных изоляторов, производимых в Европе и Азии, изготавливаются на основе полой тонкостенной трубы диаметром более 130 мм с последующим нанесением защитной силиконовой оболочки. В условиях России такие изоляторы показали низкую надежность. Остро континентальный климат основной части России приводит к частым сменам температуры в широких пределах и частым прохождением температурой «точки росы». В результате конденсации влаги в полости на внутренних стенках изолятора возникают условия для внутреннего пробоя. В результате накопленного опыта «Арматурно-изоляторный завод» полностью отказался от производства опорных подстанционных изоляторов на основе полой изоляционной трубы и использует только монолитный изоляционный сердечник. Увеличение надежности приводит к увеличению материалоемкости, но завод сумел компенсировать увеличение себестоимости внедрением современной технологии производства. В результате при неизменной цене выросло качество продукции. Изолятор типа ОСК-10—110 выпускается взамен морально устаревшего изолятора типа ИОСПК-10—110/480 согласно новому ГОСТ 52082—03, прошел все типы квалификационных испытаний в «ВЭИ им. Ленина» и имеет сертификат соответствия качества. В планах завода разработка и освоение полимерных изоляторов для замены всех типов изоляторов из фарфора и стекла. Кроме изоляторов завод совместно с Ивановским энергетическим университетом по заданию РАО «ЕЭС России» осваивает не имеющий аналогов оптоэлектронный трансформатор тока и напряжения для нужд АСКУЭ. Применение новых технологий высоковольтной изоляции позволит отказаться от использования в трансформаторах тока масла, заменив его твердой негорючей изоляцией с силиконовой оболочкой. Это позволит избежать пожаров и выхода из строя измерительных трансформаторов во время перегрузок в сети, в то время когда эти трансформаторы наиболее нужны для релейной защиты. Специалисты завода надеются, что эти трансформаторы помогут избежать ситуаций, похожих на энергокризис в московском регионе весной 2005 года.
Доля полимерной изоляции в общем объеме эксплуатирующихся в мире изоляторов с каждым днем увеличивается. Цена полимерных изоляторов уже сейчас ниже заменяемых фарфоровых и стеклянных, при значительно более высоких характеристиках и качестве. Новый класс высоковольтной изоляции открывает новые возможности для конструирования оборудования с новыми до сих пор недостижимыми качествами и характеристиками. Полимерная изоляция на основе кремнийорганической резины имеет огромное будущее. Применение ее в энергетике это Ваше спокойствие и защищенность, это Ваш шаг в будущее.
В.В. СТАРЦЕВ.
