Повышение доверия к изоляторам линий электропередач и подстанций

Надежная работа систем передачи и распределения зависит от правильного выбора изоляторов.Но правильное определение размеров может быть проблемой, поскольку для этого необходимо знать как загрязнение на месте, так и устойчивость изолятора к определенным типам загрязнений.Кроме того, уровень загрязнения зависит от ряда специфических для объекта параметров.Стойкость к специфическим загрязнениям связана с конкретными характеристиками изолятора, и за многие годы в разных лабораториях было проведено множество испытаний с использованием изоляторов разных типов и профилей.Такие данные были собраны для получения в основном двухпараметрических моделей, которые обеспечивают унифицированную удельную длину пути утечки (USCD) для любого заданного конкретного уровня загрязнения.

Конечной целью при выборе надлежащего изолятора для конкретного объекта является оценка риска отказа, чтобы установить, является ли это значение ниже или равным допустимому риску.Приемлемый риск зависит от уровня напряжения и типа установки, например, линии или подстанции.Уверенность в окончательном выборе часто исходит из прошлого полевого опыта.В этом отредактированном вкладе в INMR за 2017 год специалист по изоляции Массимо Марзинотто из итальянского TSO, Terna, провел такой анализ отдельно для линейных и станционных изоляторов, поскольку допустимый риск для них обычно различен.

Размеры изолятора и риск

Определение размеров изоляции может быть выполнено статистическими методами или детерминистическим способом.Первый позволяет оценить риск отказа, а второй основан на опыте с использованием факторов безопасности (но риск отказа остается неизвестным).Оценка риска отказа выполняется с помощью следующего уравнения, которое дает вероятность перекрытия для неблагоприятного события загрязнения:

где ф (с) плотность вероятности загрязнения (с) на поверхности изолятора в зависимости от характеристик площадки, а также от параметров изолятора (т.е. профиля, диаметра, наклона и т.д.). Ф (с) - кумулятивная функция вероятности пробоя изолятора/гирлянды для любого загрязнения (s) заданное приложенное напряжение и характеристики изолятора (т. е. профиль, диаметр, коэффициент утечки, тип загрязнения (А или В), класс гидрофобности, количество параллельно соединенных изоляторов, высота над уровнем моря и, в случае загрязнения только типа А, коэффициент однородности отношение (CUR) и уровень NSDD.От риска отказа становится возможным определить количество ожидаемых событий перекрытия каждый год, Не:

где нп - предполагаемое количество неблагоприятных событий в год (т.е. которые могут привести к перекрытию). Не сравнивается с количеством допустимых перекрытий каждый год (На) и поэтому считает размеры изолятора приемлемыми, если Не ≤ На.Как уже упоминалось, Ф (с) могут быть оценены на основе лабораторных исследований, в то время как ф (с) могут быть оценены либо на основе измерительной кампании, либо смоделированы с использованием конкретных моделей. нп сильно зависит от количества дней в году, которые могут привести к 1) смачиванию изолятора и 2) условиям, способным привести к перекрытию.Это число было оценено где-то между 20–40 днями в году, но оно является общим и требует уточнения в каждом конкретном случае. На зависит от уровня напряжения, линии или подстанции и от конкретных решений оператора системы передачи.Учитывая, что перекрытия из-за загрязнения изолятора могут иногда вызывать необратимые отключения, возможное значение может быть где-то в 2-5 раз ниже, чем допустимое количество обратных перекрытий от удара молнии в линию или станцию.

Например, для линии с годовой частотой обратного пробоя 0,1/100 км (т. е. 1 событие каждые 10 лет/100 км линии), На должно составлять от 0,02 до 0,05/100 км (т. е. 1 событие каждые 20–50 лет/100 км линии).С другой стороны, для станции, где допустимое годовое перекрытие от молний составляет порядка 0,01 (т. е. 1 событие каждые 100 лет), На может составлять от 0,002 до 0,005 (т. е. 1 событие каждые 200–500 лет).На основании этого случая можно сделать вывод, что годовые допустимые события, На, для подстанции на порядок ниже, чем для линии 100 км.Важно отметить, что параметры могут зависеть от времени, в частности нп, но и другие параметры, влияющие на оценку ф (с).Обновление параметров может основываться на отзывах с мест.Например, если в зоне обслуживания строится новый сталелитейный завод, нп может измениться и ф (с) сдвинулся бы вправо.Обычно карты загрязнения используются даже в том случае, если они не могут дать достаточной информации для оценки риска, R. Фактически, это контурные карты, которые сообщают максимальное значение (или иногда среднее значение) загрязнения только для каждого уровня, но не дают информации о статистическом распределении. и стандартное отклонение.Повторное картирование обычно выполняется через несколько лет, чтобы оценить возможные изменения уровня загрязнения участка.Такие действия являются дорогостоящими и обычно предпринимаются только в том случае, если результаты операции подчеркивают необходимость.

Эта деятельность началась в Италии с 200 точек измерения, равномерно распределенных по всей стране.Такие измерения включают отбор проб каждые 3 месяца в течение двух лет, т.е. всего 8 проб, равномерно распределенных в течение года (март, июнь, сентябрь и декабрь).Чтобы упростить отбор проб, на выбранных опорах на высоте чуть ниже самого нижнего проводника были установлены обесточенные цепочки из 10 колпачковых и штыревых стеклянных изоляторов стандартного профиля.Для каждого образца в качестве эталона выбирается один изолятор, а используемый метод взятия мазка соответствует тому, который используется для измерения ESDD и NSDD.Самый верхний и самый нижний изоляторы в гирлянде при таком измерении не используются, чтобы избежать «концевых эффектов».Чтобы повысить эффективность собранных данных, они будут сопоставляться с единицами, возвращенными из эксплуатации в полевых условиях.Это поможет не только переопределить цвет (уровень контура) карты, но и понять эффективность измерений.Кроме того, если теоретические модели загрязнения могут быть уточнены или улучшены, это также может помочь лучше оценить риск отказа. Р, и ожидаемое количество перекрытий в год, Не. 20 лет назад компания Terna (ранее ENEL) приняла решение о внедрении системы мониторинга, способной отслеживать степень загрязнения изоляторов и выдавать предупреждения всякий раз, когда она превышает определенные пороговые значения, для наблюдения за отдельными участками по всей стране, известными как зоны сильного загрязнения.Эта система мониторинга называется AMICO 2 (эволюция первой), в которой серьезность отложений загрязнения оценивается по поверхностной проводимости опорного изолятора, подверженного естественному загрязнению.Измерение проводимости поверхности выполняется без изменения естественных условий и применения напряжения, равного 12,5 кВ (среднеквадратичное значение), всего за 4 цикла.Измерение проводят периодически с учетом значения других регистрируемых метеорологических параметров: направления и скорости ветра, температуры и влажности.Таким образом, система способна преобразовывать проводимость поверхности в уровень загрязнения, выдавая таким образом предупреждения, а также сигналы тревоги при превышении определенных пороговых значений.

Эмпирические модели загрязнения, основанные на метеорологических переменных, являются еще одной областью, в которой научное сообщество углубляет знания, чтобы получить надежные модели для прогнозирования загрязнения поверхностей изоляторов.Эти модели могут быть проверены только на основе полевых данных.Совсем недавно еще одной интересной областью исследований стала устойчивость энергосистем, а также устойчивость воздушных линий и подстанций к загрязнению.Это означает, что изоляторы должны выдерживать даже экстремальные условия загрязнения.Следовательно, количество ожидаемых перекрытий в год, Не, должно быть ниже, чем обычно, что требует более строгого подхода к размерам изолятора/струны.Наконец, изолятор должен гарантировать безопасность населения, ремонтных бригад, а также другого оборудования и инфраструктуры энергосистемы, расположенных под линией или вблизи станции.Надежность изоляторов в этом отношении трудно оценить количественно.Очевидно, что риск механического отказа всегда создает условия, которые могут повлиять на безопасность людей, животных и вещей, и, следовательно, риски должны быть намного ниже, чем допустимые для случая пробоя из-за загрязнения.Оценка риска в этом смысле затруднена из-за сложности вывода статистического распределения всех напряжений, которые могут повлиять на механическое разрушение изолятора.По этой причине принимается чисто детерминистский подход к проблеме, предусматривающий достаточный запас между максимальным напряжением, с которым изолятор может столкнуться в условиях эксплуатации, и значением его механической прочности.Таких запасов должно быть достаточно, чтобы гарантировать очень низкий риск механического отказа.

Другим важным аспектом является старение, поскольку оно влияет на характеристики изолятора.Старение изолятора представляет собой комбинированное действие электрических, механических и экологических нагрузок.Чем выше синергия между такими стрессами, тем выше скорость старения.Синергия между этими напряжениями выше для композитных изоляторов, тогда как для керамики и стекла она довольно слабая.Это подтверждается опытом многолетней эксплуатации при различных уровнях напряжения и различных условиях окружающей среды.В связи с этим компания Terna решила сразу же после установки первых композитных изоляторов и изоляторов RTV разработать специальные протоколы испытаний, которые будут применяться к изоляторам, взятым из эксплуатации после нескольких лет эксплуатации.Такие протоколы испытаний направлены на 1) выявление изменений в процессе старения, если таковые имеются, и 2) получение информации для диагностики окончания срока службы изолятора.Таким образом, окончательная конструкция изолятора уточняется на основе полевых сигналов.Такая точная настройка размеров изолятора представляет собой необходимую информацию для надлежащей уверенности в оценке размеров изолятора.

Изоляторы воздушных линий

В итальянской сети передачи изначально использовались как фарфоровые, так и стеклянные изоляторы.Но стекло стало стандартом с 1960-х годов и является единственным разрешенным типом, за исключением сильно загрязненных зон обслуживания, где обязательными являются либо композитные изоляторы, либо колпачковые и штыревые изоляторы с заводским RTV-покрытием.Опыт работы со стеклянными изоляторами был обширным и показал очень высокую надежность.Например, некоторые изоляторы со сроком службы более 50 лет не имеют признаков старения.С другой стороны, коррозия колпачка и штифта наблюдалась в суровых условиях эксплуатации из-за высокого тока утечки.В таких условиях приходилось даже периодически заменять башни из-за коррозии.Кроме того, в некоторых случаях наблюдалось изменение цвета стеклянных изоляторов после 30 лет эксплуатации, но это не влияло на электрические и механические характеристики.В Италии на стороне напряжения струн используются специальные кольца с целью выравнивания электрического поля, придания большей однородности вдоль струны изолятора и ограничения радиопомех.Следует упомянуть о риске наличия внутренних дефектов в стеклянной оболочке.Хотя и редко, они могут привести к саморазрушению под действием электрического поля.Однако в этом случае механические характеристики струны не упадут ниже 90% от номинального, даже если все диски в струне саморазрушатся.Это испытание необходимо для обеспечения большого запаса прочности на случай, если некоторые блоки разобьются во время эксплуатации.Саморазрушение легко обнаружить невооруженным глазом издалека, без необходимости использования специальных приборов или измерителей.Следовательно, даже для высоких башен ремонтные бригады могут легко обнаружить разрушенные блоки без необходимости карабкаться.На рис. 3 показан вид струны невооруженным глазом на высоте около 100 м.

Рис. 1: Коррозия крышки.

Рис. 2: Выцветшее стекло после более чем 30 лет эксплуатации.

К сожалению, стеклянные изоляторы нельзя применять без особых мер предосторожности в необычно суровых условиях.Это связано с тем, что увеличение пути утечки сверх определенного уровня не дает надежных результатов, особенно при переменном токе, где распределение электрического поля вдоль струны сильно емкостное.В таких случаях Терна применяет два решения: периодическая промывка изолятора и нанесение смазки.Оба решения являются дорогостоящими, особенно для линий, подвергающихся воздействию морской соли из-за близости к побережью.В таких случаях бывали ситуации, когда промывка изолятора требовалась два раза в год.Точно так же смазка требовала замены каждые 2–3 года, причем для этого требовались более длительные перерывы в работе, чем для промывки.

Рис. 3: Разбитый стеклянный изолятор с RTV-покрытием, легко обнаруживаемый невооруженным глазом.

Начиная с конца 1980-х годов начались первые опытные установки с композитными изоляторами в сильно загрязненных районах.Однако первоначальный полевой опыт не был удовлетворительным.Затем, к концу 1990-х и началу 2000-х годов, композитные изоляторы стали стандартом с более широким применением в загрязненных районах.В эти же годы были осуществлены первые опытные установки заводских стеклянных изоляторов с RTV-покрытием.На самом деле, положительный полевой опыт подтолкнул Terna к применению этой технологии на линиях сверхвысокого напряжения, став первым поставщиком транспортных систем, установившим такие изоляторы в сети 380 кВ.Композитные изоляторы и изоляторы RTV сразу же выявили преимущества по сравнению с промывкой и смазкой, однако неопределенность в отношении окончания срока службы дала понять, что этот вопрос необходимо изучить.С тех пор начались различные лабораторные испытания как состаренных в полевых условиях композитных материалов, так и изоляторов с RTV-покрытием, которые включали ежегодный отбор проб для получения дополнительной информации о процессах старения.

Рис. 4. Механическое разрушение композитного изолятора.

Изоляторы с RTV-покрытием демонстрируют поведение, аналогичное фарфоровым и стеклянным изоляторам.Механические, электрические и экологические нагрузки влияют на скорость старения, но синергетический эффект между механическими и электрическими нагрузками отсутствует или является слабым.Таким образом, при одинаковых условиях окружающей среды старение изоляторов с RTV-покрытием будет меньше, чем у композитных изоляторов.Этот вывод подтверждается опытом эксплуатации, который показывает, что частота отказов изоляторов с RTV-покрытием такая же, как и у непокрытых стеклянных изоляторов.По этой причине компания Terna решила не устанавливать композитные изоляторы на опорах натяжения, на подвесных опорах с пролетами, пересекающими дороги, железные дороги, реки и т. д., а также на стратегических линиях электросети.Что касается окончания срока службы, также важно отметить, что вышедшие из строя композитные изоляторы полностью теряют электрические характеристики, что приводит к необратимому электрическому пробою.

С другой стороны, если изоляторы с RTV-покрытием теряют повышенные электрические характеристики, обеспечиваемые покрытием, гирлянда подвергается только снижению номинальных характеристик, т. е. ее электрические характеристики становятся такими же, как у той же гирлянды без покрытия.Эта разница в поведении существенна.С изоляторами с RTV-покрытием линия может быть снова включена, если уровень загрязнения не слишком высок, или, в качестве альтернативы, эксплуатация будет продолжаться, но с повышенным числом ожидаемых ежегодных случаев пробоя, Не.Техническое обслуживание является еще одним аспектом, на который интересно обратить внимание как при рассмотрении композитных изоляторов, так и изоляторов RTV.Изоляторы RTV можно обслуживать так же, как колпачковые и штыревые изоляторы без покрытия.Для изоляторов RTV действия по техническому обслуживанию недороги, поскольку они ограничиваются визуальной проверкой невооруженным глазом (на саморазрушение) без подъема на опору, как для стеклянных изоляторов, и, реже, визуальной проверкой с опоры для оценки состояния покрытия.Такая визуальная проверка осуществляется путем выборки нескольких башен вдоль линии.

Исходя из местного опыта, большие повреждения покрытия (как на рис. 5) не меняют поведения струны в условиях загрязнения, если такие повреждения ограничены несколькими единицами.При этом ни разу не было случаев сильного повреждения струн, даже после более чем 10-летней эксплуатации.В этом отношении важно отметить, что заводское покрытие обеспечивает более высокий уровень надежности, чем полевое покрытие, с точки зрения долговременной адгезии покрытия.Таким образом, линейные изоляторы RTV разрешается устанавливать в итальянской сети высокого напряжения только в том случае, если они были предварительно покрыты на заводе.Композитные изоляторы намного дороже в обслуживании, чем изоляторы RTV.Присущая им характеристика резкой потери механических или электрических характеристик диктует другой подход к обслуживанию: ежегодный визуальный осмотр с опоры вместе с камерой, способной оценивать как инфракрасное, так и ультрафиолетовое излучение, а также распределение электрического поля вдоль изолятора для выявления скрытых критических дефектов (см. рис. 6) являются обязательным шагом.Что касается линий постоянного тока, поскольку они обычно являются надежными и легко обнаруживаемыми неисправными изоляторами, необходимы решения.По этой причине компания Terna решила использовать только стекло и стеклянные изоляторы с предварительно нанесенным покрытием.

Рис. 5: Пример стеклянного изолятора с RTV-покрытием с повреждением покрытия.

Рис. 6: Скрытый дефект композитного изолятора, который трудно обнаружить невооруженным глазом.

Несколько лет назад была начата ограниченная пилотная установка на линии 132 кВ, оснащенной колпачковыми и штыревыми изоляторами RTV с половинным покрытием (см. рис. 7).Если будет доказано, что это решение надежно, оно может оказаться экономичной альтернативой изоляторам с полным покрытием для применения в сильно загрязненных зонах, предоставляя решение где-то между стеклом без покрытия и полным покрытием.Наконец, в конце весны 2017 года начала работу новая лаборатория естественного загрязнения под названием LANPRIS, расположенная в загрязненной зоне у моря на юге Сардинии.Здесь наблюдается сочетание сильного загрязнения морской среды из-за сильного ветра в течение всего года и сильного промышленного загрязнения от металлургической и сталелитейной промышленности.Terna планирует использовать это оборудование для испытаний изоляторов, нагруженных при различных расстояниях утечки, чтобы собрать больше информации о процессах старения.

Рис. 7: Двухрядные колпачковые и штыревые стеклянные изоляторы RTV с половинным покрытием в пилотной установке на линии 132 кВ.

Изоляторы для подстанций

Компания Terna всегда использовала коричневую глазурованную керамику для опорных изоляторов со сплошным сердечником (например, для сборных шин, опор распределительных устройств), а также для изоляторов с полым сердечником (например, для трансформаторов тока и напряжения, автоматических выключателей, разрядников защиты от перенапряжения, трансформаторных вводов, кабельных муфт и т. д. ).Первые установки композитных полых изоляторов начались в 1990-х годах.Сегодня из-за безопасности и защиты от риска взрыва из-за внутренней дуги композитные полые изоляторы являются обязательными для всех новых установок, а также в случаях ремонта / замены старых фарфоровых изоляторов.

Рис. 8: Композитные полые изоляторы все чаще заменяют фарфор на преобразовательной подстанции SAPEI возле Латины по соображениям безопасности и защиты от взрывного разрушения.

В этом отношении композитные полые изоляторы должны пройти специальные испытания Terna, например, 2000-часовое испытание (также применимое к композитным линейным изоляторам и изоляторам с RTV-покрытием) и рекомендованное испытание на наклонную плоскость постоянным током.Последнее является обязательным даже для изоляторов с полым сердечником, предназначенных для приложений переменного тока.Более того, в случае композитных изоляторов Терна требует определенного максимального тангенциального электрического поля на поверхности изолятора.Кроме того, для материалов, вулканизированных при высокой температуре (HTV), не менее 45% веса должно составлять наполнитель из тригидрата оксида алюминия (ATH).Кроме того, испытания на искусственное загрязнение не принимаются только для полых изоляторов.Таким образом, чтобы справиться с необходимостью частой промывки изоляторов на подстанциях, расположенных в чрезвычайно загрязненных средах, Terna прибегла как к смазке, так и к нанесению покрытия RTV на фарфор в полевых условиях.Первые хоть и дешевле, но имеют более частый цикл замены.Интервал между последовательными заменами смазки зависит от уровня загрязнения и составляет от 3 до 6 лет.На рис. 9 показан смазанный опорный изолятор.Напротив, покрытие RTV на месте может сократить время простоя секции станции, поскольку предполагается, что повторное покрытие необходимо только примерно через 10 лет (предполагаемый конец срока службы).На рис. 10 показан фарфоровый опорный изолятор шинопровода, на который было нанесено покрытие в полевых условиях и который прошел лабораторные испытания после 7 лет эксплуатации.На рис. 10 показан фарфоровый опорный изолятор с полевым покрытием, поддерживающий сглаживающий реактор итальянско-греческой линии высокого напряжения постоянного тока Intertie, предназначенный для работы в суровых условиях окружающей среды на преобразовательной станции Галатина.

Рис. 9: Участок опорного изолятора сборной шины из коричневого фарфора 380 кВ со смазкой

Рис. 10: Участок опорного коричневого фарфорового изолятора шинопровода 380 кВ с нанесенным в условиях эксплуатации RTV-покрытием после 7 лет эксплуатации

Рис. 10: Сглаживание опор реактора из коричневых фарфоровых опорных изоляторов с полевым RTV-покрытием на Италии – Греции HVDC Intertie.

Правильный расчет наружной изоляции — непростая задача, так как необходимо учитывать множество переменных, а возможная неопределенность в их значениях требует осторожности.Статистические методы могут лучше справиться с такими неопределенностями и привести к надежной оценке ожидаемых случаев перекрытия в год.Хотя поведение альтернативных типов изоляторов или гирлянд при различных лабораторных уровнях загрязнения может быть разумно определено из-за количества проведенных испытаний, оценка загрязнения изоляторов в течение любого года остается сложной задачей по следующим причинам:

• измерения, проводимые в полевых условиях, обычно немногочисленны и вряд ли охватывают большую территорию;
• теоретические модели могут хорошо работать в одних областях, но плохо в других;
• даже если загрязнение окружающей среды хорошо оценено, необходимо использовать специальные модели для преобразования таких данных в загрязнение поверхности изолятора;

Наружные изоляторы воздушных линий и станционные изоляторы имеют много общего, но их все же следует рассматривать отдельно, поскольку особенности каждого из них обусловливают возможные различия в выборе путей утечки.Итальянские воздушные линии высокого напряжения изолированы в основном колпачковыми и штыревыми изоляторами со стеклянными колпачками, которые дали удовлетворительные результаты как с точки зрения срока службы, так и с точки зрения необходимого обслуживания, т.е. являются надежным решением.В сильно загрязненных районах используются как композитные, так и стеклянные изоляторы с предварительно нанесенным RTV-покрытием.Однако, хотя композитные изоляторы могут давать хорошие результаты, предсказать окончание срока службы довольно сложно, поскольку в некоторых случаях были зарегистрированы внезапные отказы.Следовательно, должны быть приняты конкретные контрмеры, чтобы избежать критических условий.Преимущество стеклянных изоляторов RTV с заводским покрытием заключается в том, что они обеспечивают улучшенные характеристики для стеклянных изоляторов, работающих в сильно загрязненных зонах, например, высокую электрическую и механическую надежность, остаточные электрические характеристики в конце срока службы (в худшем случае они аналогичны стеклу без покрытия) и т. д. Таким образом, они предлагают надежное решение для сети.Итальянские подстанции оснащены в основном коричневыми фарфоровыми изоляторами (шинные опоры, опорные стойки, изоляторы распределительных устройств и пустотелые изоляторы).Уже несколько лет новые станционные полые изоляторы, включая все аппараты, оснащенные полыми изоляторами, должны использовать технологию композитных изоляторов.Это решение было принято для повышения безопасности и защиты от внутренних дуговых замыканий.В районах с суровым загрязнением окружающей среды смазка и RTV-покрытие на фарфоровых изоляторах используются для снижения риска выхода из строя.Непрерывные исследования и исследования, проводимые на изоляторах, возвращенных с места эксплуатации, имеют первостепенное значение для выбора пути утечки и, в конечном счете, для надежности сети.

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