Безопасность — ключевой фактор роста производства полых композитных изоляторов

Выбор полых композитных изоляторов для применения в таком оборудовании, как проходные изоляторы, ограничители перенапряжения, выключатели и измерительные трансформаторы, увеличился во всем мире.Например, там, где ключевыми критериями принятия решения являются меньший вес или превосходные характеристики загрязнения, большинство таких устройств в настоящее время заказывают с изолятором этого типа.Композитные изоляторы с полым сердечником также являются обязательным условием при переходе к сверхвысокому напряжению постоянного тока, поскольку они позволяют уменьшить пути утечки по сравнению с фарфором.Это делает производство очень длинных изоляторов более осуществимым, учитывая механические потребности, особенно в районах с сейсмической активностью.

Но, как обсуждалось в этом отредактированном предыдущем докладе экспертов ABB Power Systems (теперь Hitachi Energy) и покойного Ричарда Мартина, вопрос безопасности стоит на первом месте среди движущих сил рынка композитных полых изоляторов.

Композитные корпуса для выключателей на подстанциях в Китае (вверху) и Южной Африке.

Безопасность и надежность становятся все более важными соображениями для энергетических компаний и, следовательно, являются одним из наиболее важных преимуществ, предлагаемых композитными изоляторами для применения на оборудовании подстанций под давлением.Изоляторы, заполненные сжатым газом, могут накапливать большое количество энергии, обычно от 100 до 1000 кДж в зависимости от размера и давления.Чтобы снизить риски, связанные с отказом от взрыва, международные стандарты предписывают минимальные требования к материалам, конструкции и конструкции, а также их проверку посредством полномасштабных испытаний и планового производственного контроля.Как правило, перед поставкой такие сосуды должны подвергаться стандартному испытанию под давлением для проверки работоспособности конструкции.

В случае композитных изоляторов это обычное испытательное давление в два раза превышает самое высокое давление, ожидаемое при эксплуатации, т. е. расчетное давление или максимальное рабочее давление (MSP).Давление разрушения или разрыва этих сосудов, как правило, должно быть не менее чем в два раза больше испытательного давления.Четыре различных элемента полого композитного изолятора современной конструкции определяют режим отказа в случае перегрузки по внутреннему давлению:

1. Внутренний барьерный слой или вкладыш

Это защищает несущий композит в трубе от продуктов коррозионного распада изолирующего газа, например, SF6.Новый изолятор должен выдерживать внутреннее давление не менее чем в 4 раза больше MSP без видимых повреждений этого вкладыша.

2. Несущий композит в трубе

Трубка должна выдерживать давление не менее чем в два раза больше MSP без повреждений и не менее чем в 4 раза больше MSP без разрыва во время проверочных испытаний в условиях окружающей среды.Трубка также должна быть спроектирована таким образом, чтобы выдерживать все соответствующие механические, термические и электрические нагрузки в течение всего срока службы.

3. Совместное

Это клеевое соединение между трубой и металлическими фланцами.

4. Фланец

Металлический фланец передает механические нагрузки на другие части узла.

В норме на изолятор не указывается, какие виды разрушения допустимы или недопустимы во время испытания под давлением.Тем не менее, из соображений безопасности предпочтительно, чтобы причиной отказа была утечка через стенку трубы или чрезмерная деформация фланца, приводящая к утечке.Это явно лучше, чем, например, разрушение клеевого соединения.

Для изоляторов, у которых трубчатые волокна намотаны либо в окружном направлении, либо близко к нему, осевая прочность невелика и чувствительна к изменениям во время производства.В случае избыточного давления такие изоляторы могут катастрофически разделиться на две части.Поэтому таких конструкций следует избегать.Разрушение клеевого соединения является еще одним нежелательным видом отказа.По этой причине это соединение должно иметь больший запас прочности, чем другие компоненты изолятора.Чтобы убедиться, что изоляторы ведут себя безопасно, даже если они нагружены до отказа, следует рассмотреть одно дополнительное испытание, которое заключается в том, чтобы после завершения типовых испытаний выполнить давление до отказа.Такой отказ в идеале должен происходить только из-за утечки через стенку трубы.

Моделирование также можно использовать для оптимизации конструкции трубы и клеевого соединения перед изготовлением прототипов и их проверки с помощью типовых испытаний.Анализ напряжений проводится для определения локального напряженного состояния в одном слое композита и клея в зависимости от приложенных термических и механических нагрузок.Затем оценивается запас прочности с использованием консервативных критериев отказа с учетом параметров прочности конкретного сырья и производственного процесса.

Важно, чтобы эти свойства определялись для комбинации материалов и производственного процесса каждого конкретного поставщика.Это связано с тем, что некоторые свойства могут оказаться чувствительными к деталям конструкции производственного оборудования и задействованного процесса.Нельзя ожидать, что свойства материала, относящиеся к изоляторам, произведенным одним поставщиком, будут действительными для изоляторов, произведенных всеми поставщиками.По этой причине характеристики похожих на вид композитных трубок также могут значительно различаться у разных производителей.

Испытание на разрушение высоковольтных выключателей

Чтобы сравнить характер отказа корпусов из фарфора под давлением и корпусов из композитных материалов, было проведено испытание на разрушение баковых автоматических выключателей, оснащенных изоляторами обоих типов.Затем были исследованы различные режимы отказа.В таблице 1 представлены данные для двух тестовых объектов.

Таблица 1: Данные тестового объекта

Рис. 1: Испытание бакового выключателя.

Методология, выбранная для исследования различных режимов отказа, заключалась в стрельбе из охотничьего ружья калибра 7,62 мм (см. рис. 2) на расстоянии 100 м от объекта испытаний.Это смоделировало возможные эффекты, вызванные типичными событиями реальной жизни, такими как:

• внутренняя неисправность/избыточное давление в оборудовании;

• внешний удар при транспортировке, установке или техническом обслуживании;

• воздействия окружающей среды, например, землетрясение, оползень, торнадо;

• вандализм, например, бросание камней, стрельба.

Выключатель боезапаса с фарфоровыми изоляторами вышел из строя в результате сильного взрыва.Верхняя разрывная камера, в которой произошло попадание пули, была полностью разрушена, и с большой скоростью были выброшены острые осколки фарфора.Рис. 3 иллюстрирует результаты до и после удара.Также показаны высокоскоростные фотографии события.

Основная концентрация осколков фарфора выпадала на расстоянии от 23 до 57 м от объекта испытаний и имела массу от 3,0 до 31,3 кг (см. табл. 2).Напротив, испытательный объект 2 (т.е. пробойник боевого танка с композитными изоляторами) после удара пулей остался механически неповрежденным.Небольшой прокол произошел в точке входа, которая была верхней камерой разрушения.Запуска поражающих осколков в воздух не было.На рис. 4 показаны результаты до и после удара, а также высокоскоростные фотографии.Время, необходимое для сброса избыточного давления через прокол, составляло более 2,5 минут.

Рис. 2: Испытание изолятора на разрушение выстрелом из ружья.

Таблица 2: Распределение фарфоровых фрагментов

Анализ результатов

На фотографиях на рис. 5 ниже показаны эти различные режимы отказа.Фарфоровый изолятор разлетелся на острые осколки, разбросанные по большой площади.Композитный изолятор, напротив, остался механически целым и имел лишь небольшой прокол от пули.

Таблица 3: Сравнение фарфорового и композитного изоляторов

В случае внутренней неисправности/внутреннего избыточного давления или внешнего воздействия, такого как вандализм, фарфоровый изолятор испытает сильное разрушение (взрыв) с опасными осколками, разлетающимися с большой скоростью.Однако тип разрушения композитного изолятора – расслоение/прокол без вылета каких-либо опасных фрагментов.Таким образом, нет возможности повредить окружающее оборудование и нет опасности для находящихся поблизости людей.Это обеспечивает максимальную безопасность как для персонала, так и для другого оборудования на подстанции.

Возможно, основной причиной выбора композитных корпусов является их внутренняя безопасность в случае отказа.Каждый год наблюдаются случаи дорогостоящего материального ущерба и даже травм в результате катастрофических отказов оборудования, таких как внутренняя дуга, взрыв, короткое замыкание, смещение опор автобуса или сейсмические и другие неожиданные механические воздействия.Вандализм и проблески загрязнения только усугубляют риски, связанные с внезапными дуговыми разрядами и выходом из строя фарфора на подстанции.

Требования, необходимые для получения полностью взрывозащищенного корпуса из композитного материала, распространяются на сборку трубы из стеклопластика и концевых фитингов.Стандарты для корпусов под давлением описывают тяжелые испытания, такие как испытания под давлением в сочетании с частичным разрядом и стандартные испытания при 10 бар.Бремя обеспечения взрывозащищенного корпуса лежит на специальной конструкции трубы, включая угол намотки, толщину, соотношение смолы и стекла и метод приклеивания к концевым фитингам.

Что касается сейсмических событий, композитные корпуса устройств обеспечивают уровень производительности, который не может сравниться с фарфором.Хотя некоторые сложные конструкции с использованием фарфора могут выдержать большинство землетрясений, они, как правило, будут чрезвычайно тяжелыми из-за большей толщины стенок, что подразумевает более высокую стоимость.В то же время следует подчеркнуть, что превосходная механическая и электрическая стойкость композитных изоляторов с полыми сердечниками во время сейсмического события не обязательно является универсальной.Скорее, это требует от производителя хорошего знания таких факторов, как амплитуда по трем осям, продолжительность, число циклов в секунду, собственная частота задействованного аппарата, генерируемые изгибающие моменты и допустимое отклонение.IEEE 693 предоставил отличные рекомендации и методы тестирования для оценки оборудования, предназначенного для работы в сейсмоопасных районах.Действительно, корпус должен быть специально разработан для применения.Например, система уплотнения и герметичности должна обеспечивать отсутствие утечек нефти или газа после испытаний на вибростенде, предназначенных для имитации сейсмического события.

Тип оборудования, для которого предназначен корпус из композитного изолятора, налагает дополнительные обязательства на его поставщика в отношении максимальной безопасности.В случае высоковольтных разъединителей, таких как вертикальные и горизонтальные разъединители, проектировщик труб также должен учитывать ограниченное допустимое смещение со стороны линии.Следовательно, должна быть повышена жесткость, но не за счет больших изгибающих моментов в основании или значительного увеличения веса.

Чтобы обеспечить истинную безопасность при применении в автоматических выключателях, изоляторы из композитных полых сердечников должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать возможное искрение внутри камеры с элегазовой изоляцией, а также высокие температуры концевых фланцев и проводника.В случае возникновения дуги в выключателях резервуаров под напряжением проектировщики должны предусмотреть футеровку из нестекловолокна, чтобы герметизировать уязвимую матрицу из стеклопластика от любых побочных продуктов SF6.В то же время композитные трубы, используемые для таких прерывателей (т.е. как опора, так и корпус камеры), требуют большей жесткости, чтобы поддерживать выравнивание электродов в дугогасительной камере, а также внешние зазоры.Выключатели с глухим баком имеют еще больше параметров, которые необходимо учитывать, чтобы гарантировать полную безопасность, обеспечиваемую композитными корпусами.Электрод с высоким током может генерировать достаточно тепла, чтобы поднять температуру узла фланец-труба выше 100°C.Более того, создаваемого внутреннего давления газа достаточно, чтобы вызвать разрушение этой важной связи.

Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, а только для технического обучения и общения.