Оценка эффективности распределительных разрядников в США

Распределительные разрядники используются в энергосистемах уже более века, за это время произошел полный переход с керамических корпусов на полимерные.Фарфоровые разрядники часто имели проблемы с герметизацией и попаданием воды, что иногда приводило к отказам «ясное небо, солнечный день».Кроме того, эти пламегасители также создавали проблемы с безопасностью для рабочих линий из-за острых краев любых блоков, отколовшихся во время обращения.Более того, когда разрядники вышли из строя, возникли опасения, что фарфор разобьется над общественными местами.

К концу 1980-х производители начали выпускать разрядники с полимерным корпусом, которые казались идеальным решением прошлых проблем, связанных с фарфором.Резиновый материал, по-видимому, лучше герметизирует, а также представляет гораздо меньшую опасность при выходе из строя.Тем не менее, в отличие от фарфоровых корпусов, которые служат десятилетиями, никто не знал, чего ожидать в плане эффективного срока службы новых полимерных разрядников.Хотя изначально единого мнения об оптимальном материале корпуса не было, большинство производителей прогнозировали срок службы около 20 лет.

30-летний рубеж для полимерных распределительных разрядников уже пройден и дает возможность сравнить характеристики продуктов от разных поставщиков.Это также демонстрирует, что разные материалы и конструкции подвержены существенно разным атмосферным воздействиям.

В этом отредактированном материале 2017 года для INMR консультанта Ларри Фогта, вышедшего на пенсию из Florida Power & Light, рассматривается, как работают некоторые разрядники с полимерным корпусом, используемые на юго-востоке США.Его анализ фокусируется на разрядниках, снятых с распределительных систем по таким причинам, как отказ, когда сработал разъединитель, или из-за очевидного износа.Третьи были признаны полностью функциональными и удалены только из-за необходимости перенаправить линии.

Стандарты

Первый стандарт IEEE, содержащий тесты разрядников с полимерным корпусом, был опубликован в начале 1990-х годов.Тесты, представленные в этом издании, основаны на небольшой истории, поскольку эти ОПН использовались всего несколько лет.Два теста, указанные в то время, касались преждевременного старения из-за солнечного света и электрического стресса.Поскольку те же самые полимерные материалы уже много лет используются в таких компонентах, как изоляторы, разработчики продуктов зависели от тестов производительности, проводимых опытными производителями изоляторов.

УФ старение
Принятый тест на старение был широко используемым тестом QUV и состоял из воздействия на образцы резины определенного количества ультрафиолетового света с последующей оценкой любого воздействия, такого как деполимеризация.Фактически, этот тест все еще используется без каких-либо изменений в спецификации.

Старение под воздействием электрического напряжения

Испытания изоляторов, разработанные в различных лабораториях, состояли в основном из периодического смачивания с последующим приложением напряжения.В то время как точный формат различных испытаний различался, одним общим элементом было то, что для каждого требовалось около минуты сухого ленточного дугового разряда, что считалось в то время и до сих пор основным явлением, которое старит полимерные материалы под действием электрического напряжения.Если бы полимерные материалы никогда не подвергались воздействию влаги с последующими периодами сушки, не было бы риска старения из-за электрического напряжения.

Обоснование такого испытания заключалось в том, что разрядники, где бы они ни были установлены, практически ежедневно испытывают явления дугового разряда.Когда температура окружающей среды опускается ниже точки росы, на поверхности корпуса образуются капли воды.В какой-то момент скачок напряжения между каплями приводит к возникновению дуги от одной к другой.Такая электрическая активность приводит к выделению тепла и может также разрушить полимер.

К концу 1990-х годов к стандартам IEC, а также IEEE были добавлены еще два теста: 1000-часовое испытание в соляном тумане и 5000-часовое мультистрессовое испытание.Первым было серьезное испытание, требующее установки полного разрядника в камере, находящейся под напряжением в течение 1000 часов.В это время периодически образуется туман, который приводит к дуговому разряду сухой полосы.Этот тест по-прежнему требуется в последних стандартах.5000-часовое мультистрессовое испытание требовало сложного графика жары, холода, тумана, дождя и ультрафиолета, при включенном питании было предложено дополнительное испытание, упомянутое, но не обязательное в стандартах.После нескольких лет применения этого теста стало ясно, что он дает мало дополнительных преимуществ и был исключен из последних редакций стандартов IEC и IEEE.

Материалы, используемые в корпусах разрядников

В ограничителях перенапряжений, доступных на рынке США, широко используются два основных материала корпуса: силиконовый каучук и этилен-пропиленовый каучук.Точный состав этих материалов всегда был запатентован, поэтому пользователи не знают всех ингредиентов или их точных пропорций в рецептуре.

Силиконовая резина на основе

Основным материалом в этом случае является силиконовый каучук, а обычной добавкой является АТН (тригидрат алюминия), который действует как наполнитель и антипирен.Для изготовления корпусов разрядников использовались как высокотемпературная вулканизация (HTV), так и жидкий силиконовый каучук (LSR).

На основе этилен-пропилена

На рынке США было несколько поставщиков разрядников этого типа, и состав материала в некоторых случаях был таким же, как состав, первоначально разработанный для изоляторов.

Оценка ОПН

Рис. 1: Образцы разрядников, исследованные в соответствии с таблицей 1. № 1 вверху слева и № 16 внизу справа.

Эта оценка предназначена не для научного анализа с использованием полного набора факторных данных, а скорее как эмпирический взгляд на то, как различные материалы и конструкции корпусов ОПН могут ухудшаться с течением времени.Все собранные образцы использовались в суровых прибрежных условиях юго-востока США.Известно, что некоторые образцы прослужили 30 лет, а некоторые меньше, причем дата изготовления известна либо по заводской табличке, либо по типу конструкции.Относительную производительность оценивали на основе следующих факторов: состояние поверхности, гидрофобность, растрескивание, изменение твердости, рост плесени и типы загрязнения.

Таблица 1: Ограничители служебного возраста с юго-восточного побережья США.

На рис. 2 показан ОПН 27-летней давности, который подвергся перегрузке и где сработал разъединитель.Кроме очевидных разрывов от перегрузки, на корпусе не было видимых следов травления или трещин.Швы остались целыми, а поверхность по-прежнему гидрофобной (см. рис. 3).Одним из примечательных аспектов был толстый слой серого известкового порошка, образовавшийся на поверхности резины (см. рис. 4).Хотя химический состав этого материала неизвестен, он присутствует почти на всех старых устройствах, связанных с этим поставщиком.

Рис. 2: Винтажный разрядник 1990 г.	Рис. 3: №1 показал хорошие результаты	Рис. 4: Меловой слой на №1.

Тем не менее, этот порошкообразный слой не оказывает отрицательного влияния на гидрофобность, а резина остается прочной и податливой.При сгибании меловой порошок слегка треснул, но не резина под ним.На рис. 5 показан меловой порошок, соскобленный с поверхности, под которым видна превосходная резиновая поверхность.

Рис. 5: Меление удалено с № 1.
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Рис. 6: Блок №7 2004 г. из табл. 1.
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

На рис. 6 показан один из самых старых корпусов из силиконовой резины из набора образцов в таблице 1, которому 13 лет.Несмотря на то, что разрядник испытал перекрытие, внутренней неисправности не было, поэтому корпус остался неповрежденным.Тем не менее, точка возгорания привела к значительному ржавлению верхней крышки из нержавеющей стали, характерному для сварной нержавеющей стали, и загрязнила резину вдоль одной стороны пламегасителя.Однако резина оставалась податливой, при изгибе были видны неглубокие трещины (см. рис. 7).Наблюдалась небольшая электрическая активность или травление резины из-за дугового разряда сухой ленты, а также накопления некоторого загрязнения на корпусе.На рис. 8 видно, что агрегат сохранил свою гидрофобность.

Рис. 7: Трещины, видимые в навесах при изгибе.
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

К блоку № 9 была прикреплена защита от животных, но она все равно вспыхнула, вероятно, из-за взаимодействия с дикой природой.Это устройство 2001 года выпуска, и, несмотря на то, что его корпус перегорел, материал из силиконового каучука остался гибким и гидрофобным.

Рис. 8: Блок №7 все еще проявляет гидрофобность. НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ	Рис. 9: Блок №9 2001 г. НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ	Рис. 10: ОПН 1993 года с корпусом из силиконового каучука. НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

На рис. 10 показан 24-летний разрядник, все еще находящийся в эксплуатации на атлантическом побережье северной Флориды.Признаков деградации нет, хотя на нижней стороне навесов появляется некоторый рост плесени.

Рис. 11: ОПН 1991 г. с высокой деградацией. НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ	Рис. 12: ОПН 97-98 Vintage EPR. НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

24-летний разрядник на рис. 11 (не из таблицы 1) был удален из системы без отказа из-за крайней деградации.Этот материал представлял собой ранний состав ЭПР, использовавшийся в течение нескольких лет, прежде чем его заменили на современный материал.Корпус стал мягким и можно было отломать куски.На рис. 12 показан первый разрядник в эксплуатации без признаков эрозии или деградации.

Выводы

1. Все 16 исследованных образцов были опрысканы для проверки гидрофобности.Агрегаты с силиконовым корпусом имели различную степень гидрофобности в зависимости от уровня загрязнения.Более чистые агрегаты работали лучше.Устройства, изготовленные с использованием корпусов из EPDM, поначалу работали хорошо, даже самые старые устройства, но при постоянном распылении вода в конечном итоге начала застаиваться.Испытания показали аналогичные результаты с ЭПР.

2. Все материалы корпуса (за исключением сильно изношенного блока, не включенного в Таблицу 1) казались податливыми и в приемлемом состоянии.Материалы корпуса EPR и EPDM стали белыми с порошкообразным налетом, но, судя по текстуре, резина все еще выглядела в хорошем состоянии.На самом деле, порошковое покрытие, казалось, придало устройству лучшую гидрофобность.Корпус из силиконового каучука от одного поставщика обладал лучшими гидрофобными свойствами, но, по-видимому, легче собирал загрязнения, что, как правило, снижало этот показатель.

3. Испытания, предписанные в стандартах IEEE начала 1990-х годов, явно были подходящими (хотя и не слишком консервативными), поскольку все разрядники, которые прошли испытания, показали превосходную историю службы в течение целых 30 лет.

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