В последние годы производство и применение полимерных изоляторов в электроустановках высокого напряжения во многих странах неуклонно расширяется. В настоящее время в энергосистемах России эксплуатируется более 250 тыс. полимерных изоляторов. Применение этих изоляторов на ВЛ 35–500 кВ позволяет существенно снизить затраты на сооружение и эксплуатацию ЛЭП. Мировая практика показывает, что использование прогрессивной полимерной изоляции на ВЛ и в дальнейшем будет неуклонно возрастать.
Применение полимерных изоляторов характеризуется, наряду с несомненными достижениями, значительным числом серьезных нерешенных проблем и дискуссионных вопросов. Поэтому изготовители изоляторов очень скупо информируют заинтересованных специалистов о своих достижениях и недостатках, сохраняя в секрете не только детали технологии конструкции изоляторов, но и опыт эксплуатации полимерных изоляторов.
Некерамические изоляторы делятся на композитные изоляторы, состоящие из нескольких видов полимеров, и цельные изоляторы из одного полимерного материала. Наиболее широкое распространение в мире и в России нашли композитные изоляторы. Стандарт МЭК 1109 (1992) распространяется только на линейные (подвесные и натяжные изоляторы, междуфазные распорки ВЛ) композитные изоляторы. Стандарт МЭК 1109 был разработан первым, и на его основе создавалась основная масса полимерных композитных изоляторов последнего времени.
Ряд композитных изоляторов как отечественных, так и зарубежных изготовителей оказался механически непрочным даже после очень короткого срока эксплуатации, что привело в 1970–1990 гг. к ряду серьезных аварий. Эти отказы происходили при механических нагрузках, значительно меньших номинальных, а поверхность разрушения стеклопластика заметно отличалась от наблюдаемой при лабораторных испытаниях.
Этот вид разрушения, впоследствии получивший название «хрупкого излома», был воспроизведен в лабораторных условиях при одновременном воздействии относительно низкой растягивающей нагрузки и кислотной среды. В источнике /2/ приведены рекомендации по идентификации хрупкого разрушения стеклопластикового стержня композитных изоляторов.
Основными визуальными признаками хрупкого излома являются гладкая поверхность разрушения без осколков, расположенная преимущественно перпендикулярно оси стержня, наличие нескольких плоскостей (трещин) разлома, чистота поверхности разрушения и отсутствие большого количества разрушенных волокон.
В отличие от хрупкого излома при обычном разрушении стеклопластика под действием растягивающей нагрузки наблюдается большое количество разрушенных волокон, мелких частиц стекла и смолы, а поверхность разрушения ориентирована под углом около 45° к оси стержня. Хрупкий излом следует тщательно отличать от нормальных форм разрушения, которые могут выглядеть схожими, но имеют иное происхождение.
Механизм хрупкого излома чаще всего реализуется внутри металлической арматуры изолятора или в зоне на расстоянии 5–10 см от оконцевателя, где наблюдается повышенная напряженность электрического поля. Трещина, инициированная под действием растягивающей нагрузки, медленно распространяется до момента разрыва волокон вследствие роста механического напряжения.
Обязательным фактором, сопровождающим хрупкое разрушение, является контакт стеклопластика с химически активными веществами, прежде всего кислотами. Разрушение связано с коррозией стекловолокон в сочетании с механической нагрузкой. Кислота вызывает ионный обмен со стеклянной решеткой, что приводит к появлению трещин и постепенному разрушению волокон.
Опасность хрупкого излома возрастает при повреждении защитной оболочки и обнажении стержня. Особенно уязвимой является зона сопряжения оболочки и концевой арматуры, где материалы с разными коэффициентами теплового расширения должны быть надежно герметизированы.
Вероятность хрупкого излома невозможно полностью исключить при использовании однонаправленных стеклопластиковых стержней с продольной ориентацией волокон. Разрушение одного волокна приводит к росту напряжений в остальных и развитию цепного разрушения.
Современные исследования показывают невозможность гарантировать заданные механические свойства полимеров с однонаправленным армированием с необходимой вероятностью. Дополнительным отрицательным фактором является наличие многочисленных поверхностей раздела между различными материалами, которые ориентированы вдоль напряженности электрического поля и могут служить зонами инициирования электрических и механических дефектов.
Одним из решений указанных проблем является изготовление изоляторов из монолитного полимера с хаотическим армированием короткими стеклянными волокнами. В этом случае поверхности раздела ориентированы случайно, что снижает вероятность развития разрушений. Увеличение диаметра изолятора позволяет компенсировать снижение прочности и повысить надежность конструкции.
Дополнительную защиту таких изоляторов можно обеспечить с помощью тонкой кремнийорганической оболочки. Подобные покрытия широко применяются в странах Северной Америки и Азии и зарекомендовали себя как эффективное средство повышения надежности изоляции в загрязненных районах.
Опыт эксплуатации RTV-покрытий показывает, что они существенно повышают разрядное напряжение изоляторов и позволяют значительно сократить частоту обмывов. При правильном нанесении и достаточной адгезии такие покрытия могут работать десятилетиями.
В настоящее время в мире наблюдается конкуренция между композитными изоляторами и традиционными стеклянными и фарфоровыми изоляторами с RTV-покрытием. В тяжелых условиях загрязнения все чаще предпочтение отдается последним, поскольку при повреждении оболочки они сохраняют механическую прочность.
В России применение кремнийорганических покрытий пока ограничено, несмотря на значительный потенциал снижения эксплуатационных затрат. Наилучшие результаты достигаются при нанесении оболочек в заводских условиях с использованием технологий горячей вулканизации и литья под давлением.
Исходя из изложенного, актуальной является разработка и внедрение следующих конструкций изоляторов:
– изоляторы из стекла и фарфора с кремнийорганической защитной оболочкой;
– изоляторы на основе изотропно армированных пластиков;
– изоляторы из полимерных смол с кремнийорганической оболочкой.
Такие конструкции позволяют исключить основные проблемы эксплуатации традиционных и композитных изоляторов, включая риски, связанные с хрупким изломом.