Практическое применение стандартов загрязнения для улучшенного выбора наружной изоляции

С момента своего появления стандарты IEC 60815-1–3 помогали инженерам, отвечающим за определение параметров изоляции для воздушных линий и подстанций, работающих в загрязненных средах.Недавно были предприняты усилия по пересмотру этого стандарта, чтобы упростить его внедрение, и с этой конкретной целью создается Рабочая группа в рамках СИГРЭ.

Во второй части отредактированного доклада для INMR бразильского эксперта по изоляции и члена IEC36 MT 11 Дарси Рамальо де Мелло обсуждаются проблемы, которые могут возникнуть при практическом определении размеров изолятора с точки зрения загрязнения с использованием существующего стандарта IEC 60815.Также представлены истории болезни, иллюстрирующие эти проблемы.

Стандартизированные методы получения значения серьезности загрязнения объекта

Подходы 2 и 3 в стандарте IEC 60815-1 указывают, что измерение SPS будет определять выбор изоляторов-кандидатов, а также устанавливают рекомендуемую временную шкалу для получения такой информации, т.е.Для измерения степени загрязнения площадки период от двух до трех лет обычно считается достаточным для накопления насыщенного загрязнения.Этот период может быть длиннее или короче в зависимости от изменений погодных условий (дождь, туман или засуха) и случаев загрязнения.Накопление загрязнения не менее одного года является минимальным периодом, допустимым только в некоторых особых случаях..'

Одна проблема в этом отношении, однако, заключается в том, чтобы убедить коммунальное предприятие в том, что для сбора этих измерений требуется относительно длительный период времени.Более того, даже если бы это было возможно, все равно существует угроза кражи или повреждения оборудования, используемого для сбора загрязняющих веществ в течение этого длительного периода.Иногда такое оборудование устанавливается внутри подстанций для обеспечения безопасности, но тогда существует риск того, что оно может быть недостаточно близко к трассе новой воздушной линии, чтобы отражать ее загрязнение окружающей среды.

Измерение эквивалентной плотности отложений солей (ESDD) и плотности нерастворимых отложений (NSDD) является наиболее распространенной процедурой, используемой для определения значения SPS и оценки любого возможного увеличения загрязнения в течение срока службы линии электропередачи или подстанции.IEC/TS 60815-1 предлагает методы расчета ESDD и NSDD для загрязнения типа A.Для загрязнения типа B стандарт IEC/TS 60815-1 объясняет, как измерять эквивалентную соленость (SES), и представляет взаимосвязь между SPS и SES.Для мест с обоими типами загрязнения стандарт IEC/TS 60815-1 рекомендует использовать датчики сбора растворимой (DDGIS) и нерастворимой (DDGIN) пыли.

Эти концепции могут быть применены в любом типичном сценарии, например, когда необходимо оценить возможное увеличение SPS из-за ожидаемого роста активности человека вблизи подстанций и линий электропередач (см. рис. 13).Как указано в IEC/TS 60815-1, загрязнения собираются с верхней и нижней поверхностей колпачково-штыревого изолятора и рассчитываются значения ESDD и NSDD.Но большинство рекомендаций на этом заканчивается.Единственный способ получить реальную СЭС на основе ESDD и NSDD — это если изолятор, используемый для сбора загрязнения, является одним из эталонных изоляторов (как показано на рис. 14).Поправочные коэффициенты не приводятся, если изолятор, используемый для сбора загрязнений, отличается.Хотя в литературе предлагаются поправочные коэффициенты, показывающие соотношение между уровнем загрязнения на эталонном профиле изолятора и на других профилях в случае вертикально установленных изоляторов, они не рассматриваются в IEC/TS 60815-1.

Рис. 13: Двухцепные линии 275 кВ, построенные в узкой полосе отчуждения в Японии.

Рис. 14: Соотношение между ESDD/NSDD и SPS для эталонных изоляторов в IEC/TS 60815-1.

Помимо этой проблемы сбора загрязнения, если работающая линия переменного тока требует остановки из-за необходимости очистки загрязнения, практический опыт показал, что измерение уровней ESDD и NSDD рекомендуется проводить в 3-х точках (уровнях) вдоль изолятора и/или струны, а именно у второго навеса сверху, посередине и у второго навеса снизу.Несмотря на то, что эта практика в настоящее время распространена среди многих коммунальных предприятий, она явно не включена в IEC/TS 60815-1.

Для получения значения SPS с использованием рекомендаций стандарта IEC/TS 60815-1 требуется установка обесточенной цепи с эталонными изоляторами (например, 9 колпачковых и штыревых изоляторов или один длинный стержневой изолятор) или альтернативно использование направленного измерителя отложений пыли (DDDG).Тем не менее, постоянной задачей является убедить дизайнеров новой линии:

1. необходимость установки такого сооружения для сбора загрязнений на срок от 12 до 24 месяцев вдоль трассы будущей линии;или

2. что подобная конструкция должна быть установлена ​​внутри подстанции для наблюдения за эволюцией загрязнения с течением времени.

В таблице 1 представлены преимущества и недостатки обоих методов.

Таблица 1: Преимущества и недостатки стандартизированных методов получения СФС

Вероятно, наиболее существенным из недостатков, указанных в таблице 1, является тот факт, что слой загрязнения на изоляторе неоднороден, а это означает, что ESDD, измеренный на верхней и нижней поверхностях, обычно неодинаков.Скорее степень загрязнения на верхней поверхности намного ниже из-за очищающего действия дождя.Например, такое неравномерное распределение загрязнения влияет на сопротивление пробоя цокольно-штыревого изолятора при питании как постоянным, так и переменным током, как показано на рис. 15. В то время как IEC/TS 60815-1 рекомендует учитывать среднее значение ESDD при измерении верхнего и нижнего значений ESDD. отдельно ничего не говорится о NSDD, если верхний и нижний значения также измеряются отдельно.Это может привести к путанице, если для получения значения SPS используется эталонный колпачково-штыревой изолятор.При сборе загрязнения на верхней и нижней поверхностях может возникнуть следующий сценарий, т.е. среднее значение ESDD, верхнее значение NSDD и нижнее значение NSDD.В зависимости от того, где было собрано загрязнение, можно даже получить два разных значения SPS для одного и того же региона (см. рис. 16).

Рис. 15: Характеристики выдерживаемого напряжения неравномерно загрязненных изоляторов.

Рис. 16: Результаты с учетом раздельного измерения ESDD и NSDD.

Кроме того, для любого типа конфигурации на колпачковых и штыревых изоляторах, составляющих гирлянду, будут наблюдаться различные плотности отложений загрязнения.Например, при питании переменным током неравномерное распределение загрязнения на поверхности изолятора может оказать заметное влияние на напряжение пробоя цепи, как показано на рис. 17, при различных соотношениях верхней и нижней (T/B) поверхности SDD.Точно так же при подаче постоянного тока изоляторы, расположенные ближе к концу цепочки, обычно собирают больше загрязнений, чем те, что в середине (см. рис. 18).Такое неравномерное распределение загрязнения также может повлиять на напряжение пробоя постоянного тока, как показано на рис. 19.

Рис. 17: Связь между U50 и SDD с использованием цепочки, состоящей из 7 колпачковых и штыревых изоляторов.

Рис. 18: Более тяжелые отложения загрязнений на колпачково-штыревом изоляторе на токопроводящем конце цепочки с питанием постоянным током.

Рис. 19: Характеристики выдерживаемого напряжения изоляторов постоянного тока, загрязненных неравномерно по гирлянде.

На рис. 19 показано выдерживаемое туманом напряжение неравномерно загрязненной цепочки изоляторов постоянного тока, где более сильно загрязненные изоляторы (т.е. 0,08 мг/см2) расположены ближе к концам, в зависимости от соотношения сильно загрязненных изоляторов в гирлянде.Хотя подобная неравномерность распределения загрязнений на поверхности изоляторов, эксплуатируемых в загрязненных районах, неоднократно устанавливалась исследованиями, расчет размеров изоляторов по степени загрязнения всегда производится исходя из эксплуатационных характеристик реальных изоляторов при однородном искусственном загрязнении.Как показано на рис.17 и 19, это наихудший случай, который может привести к увеличению размеров изоляторов.

В IEC/TS 60815-1 отмечается, что методы, используемые для измерения ESDD и NSDD, не требуют дорогостоящего оборудования и просты в применении.Этот стандарт указывает объем 100-300 см3 дистиллированной/деминерализованной воды (или больше, если требуется) на каждую поверхность.Проблема в том, что такой объем воды такого типа нелегко получить или транспортировать в полевых условиях.Если используется водопроводная вода, значение ее проводимости необходимо вычесть из общей проводимости, полученной с помощью процедуры сбора.Также необходимо рассчитать объем воды, необходимый в целом, чтобы не было недостатка при удалении загрязняющих веществ.В Таблице 2 представлены рекомендации Suzuki по общему объему воды, необходимому для измерений ESDD.Для сильного загрязнения, особенно пустынного/промышленного типа, может потребоваться больший объем.Объем воды определяют для обеспечения надлежащей электропроводности, например менее 0,1 или 0,2 См/м.Если проводимость выше, может возникнуть риск того, что чрезмерное количество солей останется нерастворенным.Идеальный размер контейнеров, используемых для хранения воды, смешанной с загрязняющими веществами, для транспортировки и анализа в лаборатории, является еще одним соображением.

В приложении C стандарта IEC/TS 60815-1 также указывается на необходимость проведения количественного химического анализа загрязняющих веществ, чтобы можно было тщательно изучить условия эксплуатации и идентифицировать химические компоненты любых растворимых солей.Но стандарт не сообщает, как использовать полученную при этом информацию.Понятно, что на эксплуатационное выдерживаемое напряжение гирлянд изоляторов влияют различные типы загрязняющих веществ, т.е. активное загрязнение и инертное загрязнение.Поэтому важно обеспечить анализ не только нерастворимого материала, но и воды, используемой для промывки изолятора после процедуры получения NSDD, чтобы знать тип растворимых солей, присутствующих в собранном образце.

Таблица 2: Рекомендуемый объем воды для измерений ESDD/NSDD

Активное загрязнение

Это загрязнение является непосредственной причиной возникновения токов утечки и возникающих в результате таких явлений, как искрение и перекрытие, которые приводят к снижению выдерживаемого напряжения гирлянды изоляторов.Активное загрязнение можно разделить на два типа:

• токопроводящее загрязнение, которое является постоянно проводящим, то есть загрязнение металлическими токопроводящими частицами, металлическими отложениями, птичьим пометом, кислотными дождями или соляным туманом;

• загрязнения, требующие растворения, такие как отложения соли у моря, соль, содержащаяся в песке пустыни, гипс из почвы или карьеров, цемент, летучая зола, химическое загрязнение из-за промышленной деятельности или использования удобрений и обработок в сельском хозяйстве.В этом случае важен объем воды, необходимый для растворения этих загрязняющих веществ.

Что касается проводящего загрязнения, глобальная проводимость слоя загрязнения является основным элементом при ранжировании уровня серьезности.Но в случае растворимых солей глобальная проводимость зависит от количества загрязнения в растворенном состоянии и, следовательно, от количества воды, распределенной по поверхности изолятора.Важны две характеристики соли, т.е. растворимость и скорость растворения (см. Таблицу 3).Например, чем больше загрязнение растворимо и чем быстрее оно растворяется, тем меньше слой загрязнения нуждается в воде (от дождя, тумана и т. д.) и времени для образования высокопроводящего слоя и, в конечном счете, приведения к перекрытию.С другой стороны, этот тип загрязнения также легко очищается.Таким образом, при одном и том же уровне жесткости загрязнения выдерживаемое напряжение гирлянды изолятора будет зависеть от свойств соли и характеристик процесса смачивания.

Таблица 3: Классификация солей по свойствам раствора

Инертное загрязнение

Этот тип загрязнения не является проводящим, но может косвенно влиять на выдерживаемое напряжение гирлянды изоляторов.Если материал, составляющий инертное загрязнение, является гидрофильным, как, например, каолин или тоноко, используемые в испытаниях искусственного загрязнения, вода не принимает форму капель, а скорее образует пленку.Кроме того, на поверхности изолятора сохраняется более толстая пленка воды.В период увлажнения более растворимые соли растворяются в сплошной пленке раствора.Следовательно, глобальная проводимость выше.Лабораторные испытания показали, что при любом заданном количестве активного загрязнения выдерживаемое напряжение гирлянды изолятора может уменьшиться на 50 % при увеличении объема инертного загрязнения от 0,1 мг/см2 до 30 мг/см2.

Еще одним недостатком стандартизированных методов получения СФС является то, что они не учитывают влияние окружающей среды.На основе полевого опыта стало ясно, что, помимо самого изолятора, степень загрязнения слоя загрязнения будет определяться окружающей средой, в которой работает изолятор.Таким образом, преобразование воздействия на окружающую среду в параметры, которые можно использовать для проектирования изоляции, представляет собой фундаментальную проблему при проектировании внешней изоляции с учетом условий загрязнения.Это связано с широким спектром возможных условий окружающей среды в прибрежных, промышленных, сельскохозяйственных и пустынных районах, а также в районах со льдом и снегом или на большой высоте.Встречаются и комбинации этих состояний.Еще одна сложность заключается в том, что средам присуще неотъемлемое статистическое поведение, которое в значительной степени непредсказуемо.

Важнейшими атмосферными параметрами, влияющими на накопление загрязнений, образование токопроводящей пленки и самоочищение изоляторов, являются дождь, температура, влажность, ветер и туман.Продолжительность и интенсивность дождя являются одними из наиболее важных факторов, которые следует учитывать.Например, легкий дождь и туман, как правило, смачивают поверхность, но не оказывают реального очищающего эффекта, что приводит к большему накоплению поверхностных загрязнений.Напротив, более продолжительные и сильные дожди омывают поверхность изолятора и предотвращают возникновение какого-либо локализованного эффекта концентрации.Температура также оказывает большое влияние на процесс коррозии изолятора, поскольку она определяет время смачивания, а также концентрацию вязкой пленки.Таким образом, это очень сложный параметр сушильной поверхности.Влага из воздуха, не являющаяся осадками, может осаждаться на поверхности изолятора и образовывать тонкую прозрачную пленку, которая конденсируется, когда температура поверхности падает ниже точки росы.Профиль ветра (т. е. скорость и направление) является еще одним важным фактором, поскольку ветер переносит загрязняющие вещества к изоляторам (в основном морскую соль).Однако очень сложно оценить влияние ветра на осаждение загрязнений и на процесс перекрытия, поскольку он оказывает как осаждение загрязнений, так и очищающее действие.

Чтобы получить «моментальный снимок» воздействия загрязнения и исключить затраты и людские ресурсы, необходимые для постоянного измерения значений ESDD/NSDD, несколько бразильских коммунальных служб разрабатывают инструменты для измерения тока утечки.Существует два метода измерения тока на заземленном конце изолятора:

• Подсчет всплесков

В этом методе подсчитывается количество импульсов тока утечки выше некоторой фиксированной амплитуды, проводимых на испытательном изоляторе, на который подается рабочее напряжение, за заданный период времени.

• Высшее измерение

В этом методе самый высокий пик тока утечки регистрируется в течение заданного периода времени на изоляторе, который постоянно находится под напряжением рабочего напряжения.Это считалось подходящим параметром, указывающим, насколько изолятор близок к пробою.

Оба метода имеют преимущества и недостатки, как указано в таблице 4.

Таблица 4: Преимущества и недостатки методов измерения тока утечки

Выбор изолятора для условий загрязнения

IEC/TS 60815-2 и IEC/TS 60815-3 применимы для выбора фарфоровых, стеклянных и полимерных изоляторов соответственно для систем переменного тока и для определения их соответствующих размеров.В этих стандартах указаны основные преимущества и недостатки основных альтернативных профилей, основанных на аккумулирующих загрязнениях и свойствах самоочищения.Существует также оценка параметров, участвующих в определении каждого профиля.Но чтобы понять характеристики различных возможных профилей, необходимо провести длительные испытания на испытательной станции высокого напряжения на открытом воздухе.Рис.20 и 21, например, показывают результаты серии измерений ESDD и NSDD, проведенных на испытательной станции Talos на греческом острове Крит.

Рис. 20: Крупный план 5 оцененных изоляторов.

Рис. 21: Значения измерений ESDD и NSDD изоляторов tet (красные пунктирные линии указывают на наличие дождя).

Если тестирование на открытом испытательном стенде невозможно, можно использовать нестандартный метод пылевого цикла.Эта методология испытаний учитывает электрическое поле, профиль и материал изолятора, а также специфические факторы, влияющие на осаждение загрязнений, и, следовательно, хорошо представляет процесс естественного накопления загрязнений.За нанесением пыли следуют последовательные циклы смачивания, и различные протестированные изоляторы ранжируются в соответствии с количеством циклов до пробоя.Другой возможностью является использование расчетного исследования гидродинамики для оценки геометрии днища изолятора, установленного в струне, под действием ветра (см. рис. 22).Моделирование обеспечивает поток воздуха вдоль корпуса изолятора и проверяет осаждение загрязняющих веществ.Эта методология полезна при разработке новых профилей для удешевленных изоляторов.

Еще одним фактором, который следует учитывать при выборе изоляторов для условий загрязнения, является то, что IEC/TS 60815-3 предоставляет возможность снизить минимальную величину USCD для композитных изоляторов, изготовленных из материала, передающего гидрофобность (HTM), вплоть до одного класса загрязнения.Исходя из этого, некоторые коммунальные предприятия решили применить тот же принцип к струнам стеклянных изоляторов, покрытых силиконом RTV.В этом отношении проводятся исследования, но, поскольку пока нет результатов, принятие такой стратегии может быть сопряжено с определенным риском.

Рис. 22: Результаты моделирования действия ветра.

Тесты на загрязнение

Когда для выбора изоляторов используется Подход 2 из IEC/TS 60815-1, рекомендуется провести лабораторные испытания на загрязнение с возможными изоляторами, и тип загрязнения определит наиболее подходящий метод испытаний, который будет использоваться.К сожалению, до сих пор нет единого мнения относительно репрезентативного метода испытаний полимерных изоляторов из-за присущей полимерным изоляторам НТМ гидрофобности.Хотя полимерные изоляторы, не являющиеся НТМ, могут быть испытаны так же, как и керамические изоляторы, в IEC 60507 и IEC/TR 61245 указано, что эти процедуры испытаний не могут применяться к полимерным изоляторам — руководство, которое должно охватывать как НТМ, так и не НТМ изоляторы.

При сравнении изоляторов керамического типа для нового проекта рекомендуется определить максимальную выдерживаемую соленость при заданном испытательном напряжении в соответствии с IEC 60507 и IEC/TR 61245. Но в конце этого процесса также рекомендуется выполнить нестандартная процедура быстрого пробоя в соляном тумане (QF) для оценки состояния новых изоляторов.Соленость, используемая в этом тесте, такая же, как и в процессе определения размеров.Целью этого нестандартного испытания является получение данных, позволяющих сравнить характеристики после прекращения эксплуатации в течение нескольких лет, как указано в Технической брошюре СИГРЭ 691.

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