Уроки 25-летнего опыта испытаний полимерных изоляторов

Перед установкой на ВЛ качество полимерных изоляторов должно быть подтверждено полным проектированием и типовыми испытаниями.Впоследствии производители несут ответственность за проведение выборочных и плановых испытаний.Более того, во многих случаях пользователи также требуют проведения специальных приемочных испытаний.

В этом отредактированном вкладе Яна Лахмана и его коллег в лабораторию высокого напряжения EGU за 2019 год в INMR были рассмотрены моменты обучения, полученные при проектировании и типовых испытаниях этих изоляторов за 25-летний период.Например, длительные испытания показали, что отказы полимерных изоляторов чаще всего происходят при испытаниях интерфейса.Действительно, в то время как действующий стандарт IEC 62217, касающийся полимерных изоляторов, предписывает испытания интерфейсов для проверки качества, опыт показывает, что композитные изоляторы с плохой адгезией к корпусу иногда все же выдерживают испытания.По этой причине IEC 62217 в настоящее время пересматривается IEC TC 36 / MT 19 с целью более строгих критериев для увеличения возможностей обнаружения дефектных изоляторов посредством тестирования интерфейса.

В 1995 году на той же линии 110 кВ в Чехии были установлены полимерные длинностержневые изоляторы 6 производителей.На рис. 1 показан внешний вид одного из этих изоляторов с корпусом из силиконовой резины, выявленный в ходе проверок, проведенных в 2000 и 2006 годах. Все изоляторы, оцененные в ходе этих проверок, находились в хорошем или отличном состоянии в отношении электрических и механических свойств, хотя некоторые было зафиксировано изменение цвета, меление, незначительное растрескивание поверхности и снижение гидрофобности.

Рис. 1: Сравнение полимерного длинностержневого изолятора, установленного на ВЛ 110 кВ, как нового, так и после 5 и 11 лет эксплуатации.

На одной из опор ЛЭП 400 кВ в начале 1990 г. был установлен длинностержневой полимерный изолятор с корпусом из СКЭПТ. На рис. полностью гидрофильный.Хотя следов следов или эрозии не было, в нижней части донного навеса появились трещины, скорее всего, из-за воздействия короны.Позже была обнаружена неправильная конструкция коронного кольца.

Рис. 2: Полимерный длинностержневой изолятор 400 кВ после более чем 10-летней службы.

Отказы полимерных изоляторов в Чешской Республике

С момента начала применения полимерных изоляторов чешскими TSO, CEP, произошло два заметных случая разрушения из-за хрупкого разрушения.В одном случае полимерный растяжной стержень, установленный на линии 220 кВ, механически вышел из строя через 6 лет после установки в 2000 г. На рис. 3 показан пример такого типичного хрупкого разрушения, впоследствии наблюдаемого при лабораторных испытаниях.

Рис. 3: Хрупкое разрушение полимерного длинностержневого изолятора 220 кВ.

Кроме того, изолятор, установленный на линии 400 кВ в комплекте двойного напряжения, вышел из строя в 2017 г. (см. рис. 4), через 10 лет после ввода в эксплуатацию.Силовая дуга возникла из-за внутреннего пробоя и затронула две трети одного изолятора в комплекте.При этом было обнаружено ненадлежащее соединение между корпусом изолятора и стержнем сердечника (см. рис. 4).Основная причина отказа была исследована и определена как попадание влаги и ее распространение вдоль поверхности раздела неисправного корпуса и стержня.

Рис. 4: Разрушение полимерного длинностержневого изолятора 400 кВ.

Опыт независимого тестирования

Большое количество различных типов и конструкций полимерных изоляторов было испытано в лаборатории EGU HV в соответствии с соответствующими международными стандартами.Важно отметить, что тесты, приведенные в этих стандартах, представляют собой минимум технические требования для обеспечения ожидаемой производительности услуги.Также важно подчеркнуть, что изоляторы выходят из строя во время испытаний, а некоторые и во время эксплуатации.

Оценка результатов теста

На основе долгосрочных оценок, проведенных в этой испытательной лаборатории, около 10% всех полимерных изоляторов, прошедших проектные или типовые испытания, выходят из строя.На рис. 5 эти изоляторы классифицированы по типам испытаний, в которых произошел отказ.Из этих статистических данных видно, что изоляторы выходят из строя в основном во время испытаний на границе раздела с помощью испытаний с крутым фронтом импульса (41 %) или последовательных испытаний на стойкость к переменному току всухую (14 %).Другими словами, около 55% всех типов отказов изоляторов, происходящих в лабораторных условиях, связаны с тестированием интерфейса.

Рис. 5: Отказы полимерных изоляторов по типу испытаний: (механические) механические испытания;(крутые) импульсные испытания с крутым фронтом;(AC) испытание на устойчивость к переменному току в сухом состоянии (30 мин);(WDT) испытание на диффузию воды;(DPT) испытание на проникновение красителя;(эрозионное) отслеживание и испытание на эрозию.

Механические испытания

Механические характеристики изоляторов имеют решающее значение, поскольку катастрофический механический отказ может привести к обрыву линии, что считается наиболее серьезной ситуацией, с которой можно столкнуться во время эксплуатации.Механические свойства полимерных изоляторов проверяются испытаниями, как это определено в соответствующих международных стандартах.Кроме того, опытные производители также внедрили различные методы и приемы, обеспечивающие качественное крепление концевых фитингов к сердцевине из стеклопластика, т. е. избегание проблем, связанных с недоопрессовкой или переопрессовкой (см. рис. 6).Правильный выбор материалов концевых фитингов с учетом используемой технологии и процедуры обжатия также имеет решающее значение, равно как и такие аспекты конструкции, как параметры стержня и т. д. Хотя большинство производителей узнали об этих факторах либо из собственного опыта, либо из общедоступных технических источников, необычные проблемы все еще встречаются, как показано на рис. 7, где неисправные концевые фитинги были прикреплены с помощью штифта, проходящего непосредственно через сердечник.

Рис. 6: Расслоение сердцевины ниже SML.

Рис. 7: Пример неудачного крепления концевого фитинга.

Электрические испытания

Изоляторы, находящиеся в эксплуатации, должны выдерживать не только нормальное рабочее напряжение, но и выдерживать временные перенапряжения.По этой причине стандартные электрические испытания, такие как частотные или импульсные испытания, проводятся как часть типовых испытаний.Более того, испытание импульсом с крутым фронтом доступно не только как часть испытания интерфейса, но и как испытание диэлектрика, моделирующее напряжения, вызванные быстрыми переходными процессами.Например, испытание образца на рис. 8 крутым фронтом не удалось выполнить в области со встроенным выравнивающим кольцом из-за слабого места на границе раздела между силиконовым корпусом и концевым фитингом.На рис. 9 показан образец, который вышел из строя в критической тройной точке соединения корпуса, стержня и концевого фитинга.В этом случае при испытании импульсом с крутым фронтом был обнаружен локальный дефект стеклопластикового стержня.

Рис. 8: Прокол корпуса.

Рис. 9: Прокол в месте дефекта стержня

На рис. 10 показан типичный прокол в тройной точке из-за плохой конструкции изолятора.В настоящее время многие полимерные изоляторы разрабатываются с большим формованным корпусом, чтобы обеспечить большую длину пути утечки для заданной длины секции.Но в таких случаях необходимо учитывать более высокое электрическое напряжение в области тройной точки и рассчитывать достаточную толщину корпуса для этой области, чтобы избежать прокола не только во время испытаний с крутым фронтом импульса, но и в условиях эксплуатации.На рис. 11 показана некачественная конструкция концевого фитинга, из-за которой образовалась острая кромка, вызывающая высокое электрическое напряжение в этой точке.Результатом стал электрический прокол.

Рис. 10: Прокол из-за плохой конструкции.

Рис. 11: Прокол из-за неподходящих концевых фитингов.

Были предложения исключить тестирование импульса с крутым фронтом из последовательности тестирования интерфейса.Однако, основываясь на таком опыте, испытание импульсом с крутым фронтом должно быть сохранено в пересмотренном стандарте IEC 62217. Оно не только представляет собой важный компонент испытания границы раздела, но также является надежным диэлектрическим испытанием для оценки диэлектрических свойств и конструкции материалов, используемых в композитные изоляторы.

Тестирование интерфейса

Тестирование границы раздела — это сложный тест, связывающий межфазные свойства с качеством композитных изоляторов.Действительно, согласно опыту Лаборатории ВН ЕГУ, наиболее распространенной причиной отказа полимерных изоляторов во время проектных испытаний является неудачное испытание интерфейса.Тем не менее, текущая последовательность испытаний и критерии, приведенные в IEC 62217, в том виде, в каком они существуют в настоящее время, по-прежнему позволяют пройти испытания некоторым испытательным образцам с плохим сцеплением корпуса со стержнем или концевыми фитингами.На рис. 12 показан образец без прилегания корпуса к сердечнику, который разрушился при испытании импульсом с крутым фронтом.Однако образец, показанный на рис. 13, также имеющий плохую или худшую адгезию, прошел испытание на границе раздела сред.

Рис. 12: Пример теста интерфейса с ошибкой.

Рис. 13: Пример прохождения теста интерфейса.

Поэтому было проведено исследование изолятора с очень плохим сцеплением с стержнем сердечника, а также с изолятором с хорошим сцеплением.Три пустоты, проходящие через хвостовик корпуса и достигающие стержня сердечника площадью 1 см2, были равномерно распределены по длине образца изолятора с плохим сцеплением.Затем для обоих было проведено модифицированное испытание интерфейса, состоящее из кипячения образцов в течение 42 часов и проведения испытания на устойчивость к промышленной частоте в течение 30 минут.Для наблюдения за температурой образцов во время испытания использовалась инфракрасная камера.Рис.14 и 15 показано распределение температуры двух образцов.

Рис. 14: Плохое соединение, повышение температуры хвостовика

Рис. 15: Хорошее сцепление, температура хвостовика не повышается.

Образец с плохим соединением корпуса показал повышение температуры до 19°C во время испытания на устойчивость к промышленной частоте.Вода проникала через пустоты и распределялась вдоль стыка стержня с корпусом из-за отсутствия связи, что приводило к течению резистивного тока, который выделял тепло.С другой стороны, образец с хорошим интерфейсом показал повышение температуры всего на 1,3°C.Согласно действующему стандарту IEC 62217 повышение температуры корпуса корпуса до 10 K во время испытания на устойчивость к промышленной частоте допустимо.Но, исходя из опыта тестирования, это значение слишком велико, поскольку резистивный ток создает такой нагрев.Звукоизоляторы без проблем с креплением по-прежнему демонстрируют повышение температуры до 2°C.Кроме того, необходимо учитывать неопределенность измерения температуры и других условий испытаний.

Испытание на диффузию воды

Испытание на диффузию воды (WDT) представляет собой еще один элемент проектных испытаний полимерных изоляторов и включает испытание стержня сердечника с акцентом на его устойчивость к гидролизу.При рассмотрении образцов, вырезанных из полностью готовых изоляторов, WDT также может служить полезным средством проверки контакта корпуса с сердечником, т. е. проверки качества соединения корпуса.Было проведено большое количество испытаний на диффузию воды на образцах различных типов изоляторов с кожухами и без них, но в основном на образцах, вырезанных из готовых изоляторов.Данные испытаний напряжения были собраны как часть этих WDT.Например, образцы диаметром от 13 мм до 89 мм испытывали двумя парами электродов разного диаметра.Поскольку диаметр электрода не играет существенной роли в заданном диапазоне диаметров стержней, результаты испытаний можно было бы сгруппировать.Рис. 16 показывает измеренный ток утечки на периметр (т.е. π xd).Ясно, что результаты испытаний включают как низкие, так и высокие токи утечки при одинаковых или близких значениях периметра.

Во-первых, результаты должны быть разделены, чтобы различать резистивные и емкостные токи утечки, учитывая, что емкостной ток утечки зависит от площади поверхности испытуемого образца.Таким образом, тестовые образцы с большей площадью поверхности будут демонстрировать более высокие емкостные токи утечки.Затем рассчитывали плотность тока утечки на поверхность образца, как показано на рис. 17 (плотность тока в логарифмическом масштабе).

Рис. 16: Токи утечки по периметру

Рис. 17: Плотность тока утечки на поверхность.

Чисто емкостные токи утечки будут иметь плотность тока ниже 0,1 мкА/мм2, тогда как более высокие токи утечки с резистивными компонентами будут иметь значения плотности тока выше 0,5 мкА/мм2.Поэтому значения выше 0,5 мкА/мм2 были удалены из результатов испытаний, чтобы лучше определить взаимосвязь между периметром образца и значением тока утечки, когда он является чисто емкостным.Другими словами, если испытуемые образцы являются диэлектрически прочными, измеряются только чисто емкостные токи утечки.

Впоследствии ступенчатые токи утечки с резистивными частями были исключены, так что показаны только емкостные токи утечки, и было введено линейное уравнение, представляющее аппроксимирующую кривую.Затем рассчитывали стандартное отклонение от рассчитанных плотностей тока, выбирали коэффициент охвата в три сигмы и вычисляли функцию линейного приближения.Наконец, кривая аппроксимации была перемещена для представления верхней огибающей (см. рис. 18).Эта кривая будет представлять максимально допустимый ток утечки для данного периметра/диаметра испытуемого образца.

Рис. 18: Емкостный ток утечки на периметр с ограничительной кривой.

Критерии приемлемости, приведенные в действующем издании IEC 62217, указывают, что ток утечки для любого диаметра образца во время испытания напряжением не должен превышать максимум 1 мА.Но, как показано выше, это значение слишком велико, и в настоящее время оно также пересматривается IEC TC 36 / MT 19. Все еще бывают случаи, когда WDT не может выявить образцы с плохим сцеплением или даже без него (см. рис. 19).Токи утечки, измеренные при испытании напряжением диаметром 31 мм, суммированы на рис. 20 и отмечены красным овалом.Некоторые образцы данного диаметра с плохим соединением или без него могут иметь низкие токи утечки 0,15 мА – 0,3 мА.Максимально допустимый ток утечки для образцов с периметром 100 мм и менее должен быть значительно ниже 0,1 мА, как показано на рис. 18.

Рис. 19: Тестовый образец с плохой адгезией.

Рис. 20: Ток утечки образца с плохим соединением.

Выводы

Полимерные изоляторы используются в электросетях Чехии уже более 25 лет, и опыт эксплуатации положительный.Тем не менее, было зарегистрировано два случая аварий на линиях 400 кВ.Другие проблемы, связанные с полимерными изоляторами с длинными стержнями, связаны с неожиданными отключениями линий, вызванными стримерами для птиц, и использованием более коротких диэлектрических расстояний (сухая дуга).Такие проблемы могут быть решены такими мерами, как установка эффективных устройств для отпугивания птиц.

Исходя из многолетнего опыта испытаний полимерных изоляторов, около 10 % таких изоляторов, подвергнутых проектным и типовым испытаниям, выходят из строя, и до около 55 % отказов таких изоляторов наблюдается при испытаниях сопряжения.Одной из основных проблем, обнаруженных в некоторых полимерных изоляторах, было качество поверхности раздела, т.е. качество соединения корпуса с сердечником или корпуса с концевым фитингом.Такой опыт и результаты испытаний поверхности раздела и диффузии воды были переданы в IEC TC 36/MT 19, которому поручено пересмотреть IEC 62217.

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