Полимерные изоляторы. Опыт и перспективы.

1.  Введение

В последние годы производство и применение полимерных изоляторов в электроустановках высокого напряжения во многих странах неуклонно расширяется. В связи с этим возникает необходимость, ознакомления наиболее широкого круга специалистов занимающихся эксплуатацией, ремонтом, строительством и проектированием высоковольтных линий электропередачи и  открытых распределительных устройств с кругом вопросов, касающихся опыта эксплуатации , основных характеристик , особенностей конструктивного исполнения , развития производства и рынков сбыта высоковольтных полимерных изоляторов. Рассматриваемый круг вопросов характеризуется , наряду с несомненными достижениями , значительным числом серьезных нерешенных проблем и дискуссионных вопросов. Поэтому изготовители изоляторов очень скупо информируют заинтересованных специалистов о своих достижениях и недостатках, сохраняя в секрете не только детали технологии конструкции изоляторов, но и опыт эксплуатации полимерных изоляторов.

В настоящем обзоре кратко рассмотрены основные конструкции, типы, технологии, материалы применяемые в полимерных изоляторах. Представленная информация должна способствовать лучшему внедрению полимерных изоляторов в электросетевых хозяйствах, правильному применению, созданию новых проектов ВЛ повышенной пропускной способности, внедрению экономичных технологий ремонтных работ на линиях электропередачи под напряжением, созданию надежных изоляторов для ВЛ и контактной сети электрифицированного железнодорожного транспорта и т.д.

Наиболее широкое распространение в мире и в России нашли композитные изоляторы (линейные, подстанционные). Стандарт МЭК 1109 (1992) распространяется только на линейные (подвесные и натяжные изоляторы, междуфазные распорки ВЛ) композитные изоляторы. Стандарт МЭК 1109 был разработан первым, и на его основе создавалась основная масса полимерных композитных изоляторов последнего времени. Поэтому далее приводятся определения, взятые в непосредственно из стандарта МЭК 1109.

Композитные изоляторы могут состоять либо из отдельных элементов (юбок), смонтированных на стержне с промежуточным слоем или без него, или из оболочки, отлитой цельно (или из нескольких элементов) непосредственно на стержне.

Стержень  композитного изоляторапредставляет из себя его внутренний изолирующий элемент, предназначенный для обеспечения заданных механических характеристик изолятора. Стержень обычно изготовляется из смолы, армированной стекловолокнами, размещенными в матрице смолы таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная разрывная прочность изолятора. Однако некоторые фирмы вместо стеклопластика применяют и другие изоляционные материалы с большой прочностью на разрыв.

Оболочка, являющаяся изолирующим элементом, обеспечивает необходимую длину пути утечки и защищает стержень от атмосферных воздействий.    

Промежуточный слой (подслой) изготавливается из изолирующего материала, необходим для улучшения адгезии материала оболочки и материала стержня, изоляции поверхности раздела разных полимерных материалов. 

Юбка является выступающим элементом оболочки, предназначенным для увеличения длины пути утечки, может быть гладкой или ребристой.

Поверхности раздела (границы) между различными материалами. В большинстве композитных изоляторов присутствуют следующие поверхности раздела: стекловолокно - пропиточная смола; частицы наполнителя - полимер; юбка - юбка; промежуточный слой - юбка; оболочка - стержень и металлическая арматура.

 Металлическая арматура (оконцеватели) предназначена для соединения композитного изолятора с проводом, несущей конструкцией (например, опора ВЛ), элементом электрооборудования (например, шинной опоры) или с другим изолятором.

 Трекингом называется невосстановимое разрушение вследствие формирования проводящих дорожек, начинающихся и развивающихся на поверхности изолирующего материала (оболочка, стержень). Эти дорожки являются проводящими даже при сухих условиях. Трекинг может происходить на поверхностях, контактирующих с воздухом, а также на поверхностях раздела между различными изоляционными материалами.

Эрозией называется невосстановимое и непроводящее разрушение поверхности изолятора, происходящее в результате утраты материала.  Эрозия может быть равномерной, локализованной или древоподобной.

Известкованием (мелованием) называется появление частиц наполнителя из материала оболочки и образование шероховатой или порошкообразной поверхности. При этом поверхность оболочки изолятора может резко менять свой цвет, например, на белый у кремнийорганических изоляторов.

Трещинообразование представляет собой поверхностные микроразрушения глубиной 0,01 - 0,1 мм.

Трещиной называется любое разрушение поверхности глубиной более 0,1 мм.

Гидролизом называются явления, обусловленные проникновением воды или её паров в изоляционные материалы композитного изолятора, что может привести к электрическому и/или механическому разрушению (коррозия - гидролиз при проникновении химически агрессивных веществ).

Изменение цвета защитной оболочки под воздействием напряжения и факторов окружающей среды свидетельствует о начальной стадии старения изоляторов.

    В МЭК 1109 указано, что неглубокие бороздки на поверхности, обычно древовидные, могут образовываться на композитных изоляторах (как и на обычных изоляторах), после частичных перекрытий. Эти следы не являются повреждениями и не вызывают каких-либо последствий до тех пор, пока они не становятся электропроводящими. Когда они начинают проводить ток, их рассматривают как трекинг.

  В России и за рубежом 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-мономер (ЕРDМ);

- этиленпропиленовый эластомер (EPR);

- этилен виниловый ацетат (EVA);

- циклоалифатические эпоксидные смолы, эпоксидные компаунды;

- политетрафторэтилен, тефлон (PTFE), изофлон, модифицированные фторопласты;

- полиуретаны;

- модифицированный полиолефин, полиолефиновые композиции. В дальнейшем изложении наименования материала оболочек могут даваться в латинской аббревиатуре.

Так как в России наибольшее распространение получили композитные изоляторы, им будет уделяться наибольшее внимание. Если нет особых оговорок, вся остальная информация касается именно полимерных композитных изоляторов.

Хотя указанные принципиальные отличия в исполнениях полимерных изоляторов и в применяемых в них материалах дают существенную информацию об их конструкции, используемые модификации материалов и деталей конструкции композитных изоляторов, применяемые различными изготовителями, могут быть очень разными.

Направления дальнейших разработок.

 При дальнейшей разработке методов испытаний композитных изоляторов необходимо (в соответствии с указаниями стандарта МЭК 1109) уделить внимание следующим вопросам:

-  методам испытаний , воспроизводящих хрупкий излом стеклопластикового стержня;

-  методам испытаний на длительное механическое старение изоляторов, в том числе прогнозирующих возможное сползание оконцевателей;

-  приемлемым по трудоёмкости и достоверности методам испытаний  на электрическое и механическое старение;

-  методам испытаний поверхностей раздела в композитных изоляторах;

-  методам испытаний на кручение и стойкость к действию динамических нагрузок (растяжение, изгиб, кручение, сжатие).