Полимерные изоляторы

ООО «Полимеризолятор» (г. Великие Луки)

Опорные изоляторы на основе полимерных композиционных материалов являются альтернативой традиционно сложившимся конструкциям опорно-стрержневых фарфоровых изоляторов.

Из опыта их эксплуатации известно, что последние имеют весьма низкую эксплуатационную надежность, что подтверждается многочисленными случаями их повреждений, в особенности при использовании их в качестве поворотных колонок разъединителей.

Изолятор ЛК-70/35—03-IV УХЛ1	Изолятор ОСК4—35-А-4 УХЛ1

Сложившееся положение неоднократно отмечалось в приказах РАЛ «ЕЭС России», в том числе в приказе «О повышении надежности опорно-стежневых изоляторов 11—220 кВ» (№ 252 от 06.05.2002 г.).

Решение проблемы — в разработке опорных изоляторов с гарантированной прочностью и стойкостью на весь срок службы, не требующих специальных средств диагностики механического состояния.

Разработка и постановка на производство таких изоляторов на основе полимеров проведена на ООО «Полимеризолатор». ООО «Полимеризолатор» выпускает опорные полимерные изоляторы на классы напряжение 10, 35 × 110 кВ и линейные на 35 кВ. Конструктивные исполнения опорных полимерных изоляторов однотипное для классов напряжения 10—35 кВ и несколько отличается от изолятора на класс напряжения 110 кВ. 

Изоляторы изготавливаются на базе стеклопластикового стержня с электрической прочностью не менее 4 кВ/мм с монолитной внешней оболочкой из импортной кремнийорганической композиции, выполненной способом заливки в форме стержня с запрессованными (а на 110 кВ с собранными) на его концах фланцами. Фланцы изоляторов — стальные с защитным покрытием горячим цинком толщиной не менее 100мкм.

Современные технологии позволяют наносить защитную оболочку. При этом обеспечивается химическая сшивка резины со стержнем, за счет чего повышается качество герметизации оболочки, и границы ее раздела со стержнем.

Такое исполнение допускает более высокие механические напряжения, обеспечивая при этом отсутствие склонности к хрупкому излому и падению изолятора, ударопрочность, более надежную заделку фланцев, удовлетворительную работу тела изолятора в сложнонапряженном состоянии и повышенную стойкость внешней изоляции при работе в загрязненной атмосфере.

Для обеспечения упомянутых свойств при разработке тщательно выбирались разные варианты конструкция, отрабатывалась технология, выбирались исходные материалы и, как следующий этап, выбранные решения подтверждались испытаниями.

Особое внимание было обращено на достижение механической прочности на изгиб и кручение, что было достигнуто прежде всего выбором стеклопластиковых стержней с заданными свойствами, параметрами и выбором способа закрепления фланцев на стержне. С поставщиками были подписаны соответствующие технические условия, оговаривающие стабильные прочностные и электрические параметры стержней при их повышенной механической стойкости.

Проводится сплошной входной контроль и испытания образцов от каждого стержня на подтверждение электрической прочности на пробой (не менее 4 кВ/мм). Плотность и непроницаемость тела стержня подтверждаются результатами испытаний на проникновение спиртового раствора фуксина на образце стержня высотой 10 мм. Время проникновения раствора на высоту образца составляет в худшем случае 20—30 минут (при норме 15 минут), а в большинстве случаев проникновение вообще не происходит.

В этом плане хотелось бы отметить предприятие «АПАТЕК» (Дубна) за поставку стержней со стабильными характеристиками.

Заделка фланцев на предварительно просушенный и герметизированный с обоих концов стержень, обеспечивает герметизацию внутренней части изолятора, находящуюся под кремнийорганической «рубашкой», что исключает влияние климатических факторов на его электрическую прочность. Применение стеклопластикового стержня вместо трубы и монолитная, вместо клееных ребер, внешняя оболочка исключает проблемы внутренней полости изолятора (трубы) и обеспечивает герметичность защитной оболочки изолятора. Отработка исполнения узла крепления и конфигурации оконцвателей велась очень тщательно, и каждый раз подвергалась испытаниям.

Внешняя кремнийорганическая цельнолитая оболочка, является основой внешней электрической изоляции. Она же предохраняет стеклопластиковый стержень от влияния внешних климатических факторов.

Высокие электрические, трекингостойкие и гидрофобные свойства кремнийорганической резины и дали основание на ее применение в полимерной изоляции. Поверхность изоляционной части изолятора должна быть обязательно гидрофобна в состоянии поставки. При этом гидрофобность обеспечивает грязестокость внешней изоляции и электрическую прочность изоляции на 15—20% выше, чем у фарфоровых изоляторов.

Полученные положительные результаты испытаний на стойкость к солнечному излучению, стойкость к воспламенению и электрической дуге и определили применение кремнийорганической композиции в качестве внешней изолирующей оболочки изоляторов ООО «Полимеризолятор».

Особое внимание уделялось вопросу испытаний изоляторов.

В аккредитованных и сертифицированных центрах г Великие Луки (ИЦ «ЗЭТО»), Санкт-Петербурга (ИЦ ГУП ВЭИ, НИИПТ) и Москвы (НИИ ВВА) выполнен большой объем приемочных испытаний изоляторов класса напряжения 10—110 кВ.

Учитывая проведенный анализ конструкции, при составлении программы испытаний была принята следующая последовательность ее выполнения для изоляторов на класс напряжения 110 кВ: 

Испытания в составе разъединителя и испытания на отдельных изоляторах.

В составе разъединителя проводились следующие испытания:

1. Испытания в условиях гололеда при толщине корки льда до 22 мм — выполнено несколько циклов «В-О» с имитацией механической нагрузки на изоляторы от тяжелых проводов.
2. Испытания на механическую износостойкость с имитацией механической нагрузки на изоляторы от тяжелых проводов.
3. Испытания на стойкость при сквозных ТКЗ (ударный ток и ток термической стойкости разъединителя).
4. Испытания электрической прочности импульсным напряжением грозового разряда и переменным кратковременным напряжением промышленной частоты в сухом состоянии и под дождем.

Осмотр изоляторов после вышеперечисленных испытаний подтвердил их целостность и функциональную пригодность. Далее была выполнена дальнейшая наработка циклов «В-О» в составе разъединителя до 10 000 циклов в части подтверждения механического ресурса в соответствии с ГОСТ 689 на разъединители.

Дальнейшие, и параллельные с вышеперечисленными испытания проводились на отдельных изоляторах.

Изоляторы выдержали квалификационные испытания по следующим показателям:

1. Масса.
2. Габаритные м присоединительные размеры (при разработке были учтены варианты взаимосвязи в отношении раннее выпускавшихся фарфоровых изоляторов серии ИОС и С).
3. Длина пути утечки.
4. Испытательное напряжение промышленной частоты в сухом состоянии и под дождем.
5. Испытательное напряжение грозового импульса.
6. 50% разрядное напряжение промышленной частоты в загрязненном и увлажненном состоянии.
7. Стойкость к солнечному излучению.
8. Стойкость к динамическому воздействию пыли.
9. Трекингоэррозийная стойкость.
10. Термомеханическая стойкость.
11. Кратковременная минимальная разрушающая сила при изгибе.
12. Минимальный крутящий разрушающий момент.
13. Деформация при изгибе в случае воздействия эксплуатационной нагрузки.
14. Угол закручивания при приложении эксплуатационного крутящего момента.
15. Стойкость к проникновению влаги.
16. Стойкость к электрической дуге.
17. Минимальное разрушающее усилии на изгиб в течении 30 лет (P min 30).

Обычно, механическая прочность нагруженных композитных изоляторов со временем уменьшается. Это уменьшение зависит от величины и длительности нагрузки. Для построения графика и определения наклона прямой «сила-время» изолятор испытывается на воздействие нагрузок разрешенных, 0,9 от разрешенных и 07, от разрешенных. С последующим использованием метода статистической обработки результатов испытаний.

Кратковременная разрушающая сила определилась по результатам испытаний 3-х изоляторов с усиленным вариантом нижних фланцев. Способ приложения нагрузки по ГОСТ 26093, при этом время нагружения изолятора до разрушения составляло не менее 1 минуты.

Изоляторы выдержали испытания, поскольку прогнозируемая минимальная разрушающая сила оказалась не менее нормированного значения.

Далее были проведены следующие испытания:

• Стойкость к воспламенению.
• Проникновение красящей жидкости.
• Стойкость к диффузии воды.
• Допустимый уровень частичных разрядов.
• Испытания на вибростойкость.
• Собственная частота колебаний.
• Испытания на радиопомехи.
• Испытания на транспортирование.

Хотелось бы особо отметить из вышеперчисленного перечня серьезный подход к испытаниям на стойкость к проникновению влаги.

Изоляторы помещались в емкость с кипящей деионизированной водой с добавлением NaCI на 24 часа. После кипячения изоляторы оставлялись в емкости до охлаждения раствора до +50 C и выдерживались при этой температуре до начала контрольных испытаний.

Затем были проведены проверочные испытания импульсным напряжением с крутым фронтом, далее — определено напряжение перекрытия напряжением промышленной частоты, которое оказалось практически равным напряжению перекрытия в сухом состоянии.

В заключении изоляторы были испытаны переменным напряжением, равным 80% от разрядного, в течении 30 минут. Результаты испытаний – положительные.

Исходя из вышеизложенного, можно полагать, что с полимерными изоляторами значительно меньше проблем, чем с фарфоровыми. Для более полной характеристики хотелось бы отметить их преимущества и особенности. Эти преимущества общеизвестны:

1. Высокая прочность при изгибе и кручении.
2. Высокие разрядные характеристики.
3. Высокая гидрофобность поверхности даже в загрязненном состоянии. Это уникальное свойство кремнийорганики — передача гидрофобности на слой поверхностных загрязнений, которая обеспечивает низкие токи утечки и высокие разрядные характеристики в условиях загрязнения и увлажнения.
4. Высокая стойкость к ударным и электромеханическим нагрузкам.
5. Высокая сейсмостойкость и вибростойкость.
6. Высокая сопротивляемость к актам вандализма.
7. Малый вес.
8. Низкие расходы на транспортировку, отсутствие боя.
9. Нормируемый срок эксплуатации — 30 лет.
10. Низкие расходы при монтаже и эксплуатации (это : отсутствие необходимости в регламентных работах по защите цементных швов от влаги, отсутствие необходимости в обмывке изоляции на протяжении всего срока службы при установке в рекомендуемые зоны загрязнения).
11. Конструкция изолятора не допускает хрупкого излома и падения.

Благодаря перечисленным преимуществам, применение полимерных изоляторов позволяет значительно повысить надежность и безопасность эксплуатации оборудования.

Разработка и освоение полимерных изоляторов велась и ведется многими фирмами. Особенности и преимущества фирмы ООО «Полимеризолятор» состоит в том, что в конструкции применено оптимальное конструктивное решение самого слабого узла — стыка оконцевателя и оболочки.

Это решение существенно повышает надежность и долговечность изолятора и соответствует мировому уровню.

Кроме этого:

• Последовательное изменение толщины внешней оболочки защищает более напряженные области.
• Самая чувствительная зона — стык — защищена силиконом.
• Выбрана оптимальная геометрия ребер.
• Прочная адгезия горячей вулканизации обеспечивает гермитизацию стыка в течение всего срока службы.
• Оконцеватель спроектирован для наибольшего снижения напряженности, в результате чего улучшено распределение электрического поля в заделке по сравнению с традиционной схемой.

Разработки ООО «Полимеризолятор» приняты межведомственной комиссией РАО «ЕЭС России» и рекомендованы к применению.

Изделия сертифицированы в системе «Энергосерт» и поставляются на объекты электроэнергетики.

В плане дальнейших разработок и совершенствования конструкций полимерных изоляторов основное внимание мы уделяем следующим вопросам:

1. Совершенствование технологии изготовления изоляторов с целью снижения их ценовых показателей. На ООО «Полимеризолятор» это реализуется путем применения высокопроизводительных машин инжекционного прессования немецкой фирмы «DESMA». Это, прежде всего, касается изоляторов на класс напряжения 110 кВ в части технологии нанесения монолитной оболочки из кремнийорганической резины. Как следствие возрастает и производительность (до 1000) изоляторов в месяц.
2. Разработка новых конструкций полимерных изоляторов: линейных на классы напряжения до 500 кВ и опорных, обладающих повышенной жесткостью для применения в составе разъединителей на класс напряжения 220 кВ.
3. Разработки и подготовка производства полимерных изоляторов для железных дорог.

Исполнительный директор: Токарев Ю. Д.