ВВЕДЕНИЕ
Электрические изоляторы предназначены для изоляции проводов и элементов конструкций, находящихся под напряжением, от заземленных частей электроустановок.
Решение данной технической задачи найдено сравнительно давно, им явилось использование в качестве основного элемента стеклянных или фарфоровых изоляторов. Такие изоляторы в зависимости от назначения (линии электропередач, электрические подстанции, изоляция электрических аппаратов, контактные сети, железнодорожный и городской транспорт и др.) включают десятки групп. В каждой отдельной группе в зависимости от применяемого напряжения, вида механических нагрузок, условий эксплуатации насчитываются десятки типов изоляторов, каждый из которых выпускается сотнями тысяч штук.
Одним из недостатков электрических керамических изоляторов является их хрупкость. Большое количество изделий (до 10%) повреждается при транспортировке, монтаже и эксплуатации. Кроме того, в последние годы во всем мире возросло число актов вандализма, в результате чего многие изоляторы оказались разбитыми.
При производстве керамических изоляторов высок процент брака (до 15%), к которому относят: пузыри, трещины, натеки и отсутствие глазури; царапины и риски, посторонние включения. Такие дефекты нормируются в jr зависимости от общей площади поверхности изоляции и назначения
изолятора. Так, по нормам РАО «Энергетические системы» устанавливается, что допустимая площадь отдельного дефекта лежит в пределах от 0,55 до 2,53 см2. Допустимая суммарная площадь дефектов — от 1,47 до 21,6 см2. Электрооборудование с дефектами изоляции, превышающими эти величины, выводится из эксплуатации.
В результате экономические потери предприятий энергоснабжения и заводов по производству керамических изоляторов от повреждений и брака (они достигают 25-30% от объема выпуска) огромны.
В связи с этим в настоящее время во всем мире наметилась единственная тенденция, направленная на решение указанной проблемы — замена керамических изоляторов композитными с защитной оболочкой из полимерных материалов. В ряде случаев данная тенденция оправдана. Основными достоинствами полимерных изоляторов являются: высокие электрические свойства (низкая диэлектрическая проницаемость, высокое напряжение пробоя и др.); хорошие эксплуатационные показатели (высокая гидрофобность, приводящая к самоочистке и как следствие к отказу от необходимости обмыва изоляторов, вандалостойкость); отличные наладочные характеристики (устраняются повреждения при транспортировке изделий из-за отсутствия хрупкости, уменьшается вес изоляторов — на 90% по сравнению с фарфоровыми изделиями).
Несмотря на то, что существует достаточно много фирм, занимающихся производством полимерных изоляторов: «Sediver» (Франция), «OHIO Brass» (Канада), «Furukawa» (Япония), ЗАО «Полимеризолятор» (Россия), «Энергия — XXI» (Россия), НПО «Изолятор» (Россия), их широкое внедрение — дело будущего. В ближайшие 10-20 лет композитные изоляторы будут использоваться на вновь строящихся линиях, наряду с керамическими, так как стоимость композитных изоляторов существенно выше. Кроме того, пока не существует технической возможности замены крупногабаритных керамических изоляторов на полимерные изделия.
Решение существующей проблемы могло бы быть найдено при создании технологии ремонта керамических изоляторов.
Сама проблема ремонта керамических изоляторов включает устранение мелких дефектов (отсутствие глазури, пузыри, трещины) и крупных повреждений (сколы ребер).
Существует и другая разновидность ремонта керамических изоляторов — создание на их поверхности защитного гидроизолирующего покрытия. Среди изоляторов имеются конструкции (разрядники), в которых керамическое тело крепится к металлическому основанию с помощью бетонной прослойки. (Данный тип изоляторов используют для защиты от грозовых и коммутационных напряжений). Таким образом, в конструкции изолятора имеются стыки между материалами различной природы, попадание воды в которые может вызвать выход изолятора из строя.
Имеются способы гидрозащиты изоляторов, такие как покрытие их ровным слоем компенсирующей промазки, например, лака. Подобный способ является общепринятым во многих странах. Однако он не является надежным, так как под действием атмосферных условий, высокого напряжения, вызывающего разогрев изолятора, светоозонного и ультрафиолетового воздействия такое покрытие быстро растрескивается и отслаивается. Обладая малой эластичностью, лаковая пленка способна быстро разрушаться при покрытии стыков материалов с разными коэффициентами теплового расширения, а благодаря тонкому слою покрытия процесс окисления и старения этой пленки происходит достаточно быстро. Лаковые покрытия, как правило, являются горючими. Кроме того, данный способ не устраняет влагу в бетоне и на стыках изоляторов.
Проведенный патентный поиск показал, что технология ремонта и гидрозащиты керамических изоляторов в мировой практике отсутствует.
Решение проблемы создания технологии ремонта высоковольтных изоляторов отвечает: «Приоритетным направлениям науки и техники» (разделы «Новые материалы и химические продукты», «Композиты», «Полимеры»; раздел «Топливо и энергетика. Процессы трансформации твердого топлива в электрическую и тепловую энергию»), а также Координационному плану Академии наук РФ по проблеме: «Пути улучшения механических свойств полимерных сплавов и композитов».
Целью настоящей работы является:
-разработка материалов и технологии ремонта дефектов и повреждений керамических изоляторов;
-разработка материалов и технологии гидрозащиты керамических изоляторов.
Научная новизна проведенного исследования состоит в следующем:
Развиты принципы создания и модифицирования материалов для ремонта и гидрозащиты керамических изоляторов. Показано, что:
- независимо от назначения материалов (ремонт трещин, сколов, гидрозащита и т.д.) в качестве полимерной матрицы целесообразно использовать низко-, высокомолекулярные полисилоксаны и их смеси.
-обеспечение требуемых физико-механических и эксплуатационных характеристик материалов может быть достигнуто использованием в составе композиций комплексного наполнителя —сочетания активных (аэросил, белая сажа) и инертных (гидрооксид алюминия) наполнителей;
-формирование требуемых реологических и вулканизационных характеристик наполненных полисилоксановых композиций может быть реализовано путем воздействия на систему сдвиговых деформаций определенного диапазона.
Установлено, что для характеристики внешнего деформационного воздействия на систему целесообразно использовать обобщенный критерий, представляющий по физическому смыслу плотность энергии деформирования.
Предложена модель формирования структуры и свойств наполненных полисилоксановых композиций различного назначения и показано, что при определенной величине плотности энергии деформирования могут быть получены материалы, обладающие способностью к свободной заливке в различные полости и регулируемым временем вулканизации.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
Созданы материалы и технологии ремонта и гидроизащиты высоковольтных керамических изоляторов, позволяющие осуществлять ремонтные работы непосредственно в местах эксплуатации изоляторов без их демонтажа при низких (-60°С) и повышенных (+60°С) температурах, а также в условиях повышенной влажности и загрязнений:
- материалы и технология ремонта высоковольтных керамических изоляторов всех типов, устраняющие производственные дефекты (трещины, царапины, риски, пузыри, отсутствие глазури) и крупные повреждения (сколы ребер);
материалы и технология гидроизоляции опорных керамических изоляторов, позволяющие герметизировать стыки разрядников независимо от конфигурации поверхности.
Разработанные материалы (ТУ 3494-001-7825684185-04) и технологии ремонта и гидроизоляции реализованы на предприятиях РАО «ЕЭС» Северо-Запада.
Материалы диссертации отражены в 9 статьях докладов. «Способ ремонта керамических материалов» запатентован.
Основные результаты работы докладывались на 9-ой Международной конференции молодых ученых, Казань, 1998; IV и V Международных конгрессах химических технологий, Санкт-Петербург, 2003, 2004 г.; Заседаниях секции полимерных композиционных материалов ВХО им. Д.И. Менделеева, 2001,2003- 2005 гг.
Автор защищает:
-новые экспериментальные данные о характере реологического поведения полисилоксановых композиций в условиях регулируемого деформационного воздействия;
10
-модель формирования структуры и свойств наполненных полсилоксановых композиций;
материалы и технологию ремонта дефектов и повреждений керамических изоляторов;
- материалы и технологию гидрозащиты опорных высоковольтных изоляторов.
11
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Анализ проблемы производства, эксплуатации и ремонта высоковольтных изоляторов [4]
Электрические изоляторы предназначены для изоляции проводов и элементов конструкций, находящихся под напряжением, от заземленных частей электроустановок.
В соответствии с назначением существуют следующие группы изоляторов: линейные (для использования на линиях электропередач), подстанционные (для использования на электрических подстанциях), аппаратные (элементы изоляции электрических аппаратов), изоляторы для токопроводов, передающие электроэнергию от генераторов к повышающим трансформаторам, изоляторы для контактных сетей городского транспорта (трамваи и троллейбусы). Особые группы составляют опорные изоляторы, предназначенные для защиты от грозовых разрядов, и др.
В каждой из перечисленных групп в зависимости от применяемого напряжения, класса механических нагрузок, условий эксплуатации и конструктивных особенностей насчитываются десятки типов изоляторов.
Традиционными изоляторами являются фарфоровые или стеклянные. Однако при использовании изоляторов из этих материалов возникают определенные трудности, обусловленные длительностью их изготовления, сложностью транспортировки и монтажа, низкой эксплуатационной надежностью [1]. Рассматривая последовательно процесс изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации изоляторов, следует отметить, что первая трудность возникает на стадии их производства. Это высокий процент брака. К нему относят мелкие сколы, появление на поверхности изолятора мест, где отсутствует глазурь, трещины и т.п. Такие изоляторы нормируются
12
по виду дефектов и их размерам и часто идут на утилизацию. При этом следует учесть, что повторно переработать керамику (подобно термопластичным полимерам) в изоляторы не представляется возможным. Изделия измельчаются и добавляются в ограниченном количестве в первичный материал в виде высокодисперсного наполнителя.
Следующая трудность возникает на стадии транспортировки изоляторов. Помимо того, что они имеют большой вес, им свойственна и высокая хрупкость. Причем с увеличением размера и веса изоляторов проблема их хрупкости становится все острее.
Хрупкость керамических и стеклянных изоляторов является существенным осложняющим фактором при их монтаже. Учитывая тот факт, что монтаж таких изоляторов часто происходит на значительной высоте (линии электропередач), а вес таких изоляторов значителен, вероятность их повреждения существенно увеличивается.
В последние годы во всем мире возникла новая проблема, связанная с эксплуатацией изоляторов. Появился даже специальный термин — вандалостойкость, т.е. способность изделия сопротивляться актам вандализма. Особенно остро они проявляются на железнодорожном транспорте. Достаточно сказать, что на маршруте Санкт-Петербург— Москва замена разбитых вандалами изоляторов проводится практически ежедневно. В ряде стран уже введены суровые наказания за такие действия, и, тем не менее, число актов вандализма сократилось незначительно.
Помимо хрупкости керамические и стеклянные изоляторы имеют еще два серьезных недостатка: возникновение внутренних напряжений при перепаде температур окружающей среды и низкая гидрофобность [2-4].
Керамические изоляторы плохо переносят перепады температур. Особенно ярко это проявляется в районах с резко континентальным климатом, когда днем на солнце изоляторы разогреваются до 45-50 ° С, а ночью охлаждаются до минусовых температур. Постоянная работа в таких
13
условиях приводит к накоплению в материале изолятора остаточных напряжений, которые через определенное время могут привести к разрушению изолятора. Кроме того, на керамических изоляторах благодаря их низкой гидрофобности вода растекается в тонкую пленку по поверхности, что может привести к пробою изоляторов.
В районах, где атмосфера сильно загрязнена (большие города, промышленные предприятия) на поверхности изоляторов образуется токопроводящий слой грязи. Надежность таких изоляторов резко снижается. Поэтому во всем мире существует практика обмыва изоляторов струей воды под напором. В ряде случаев это приводит к разрушению тела изолятора.
Совокупность перечисленных проблем привела к тому, что с начала 50-х годов в ряде стран постоянно ведутся работы по созданию и внедрению в производство изоляторов из более перспективных материалов и более совершенных конструкций. Развитие полимерной промышленности открыло новые перспективы для решения этих задач. В 50-х годах XX века на рынке появились первые композитные изоляторы. Особо бурно данное направление начало развиваться в 70-80-ые годы, когда были разработаны новые типы полимерных изоляторов и способы их изготовления [5,6].
К сожалению, в связи с этим в настоящее время во всем мире наметилась единственная тенденция, направленная на решение проблемы устранения брака и повышения надежности изоляторов — замена керамических изделий композитными с защитной оболочкой из полимерных материалов. В ряде случаев данная тенденция оправдана. Основными достоинствами полимерных изоляторов являются: высокие электрические свойства (низкая диэлектрическая проницаемость, высокое напряжение пробоя и др.); хорошие эксплуатационные показатели (высокая гидрофобность, приводящая к самоочистке и как следствие к отказу от необходимости обмыва изоляторов, вандалостойкость); отличные наладочные характеристики (устраняются повреждения при транспортировке
14
изделий из-за отсутствия хрупкости, уменьшается вес изоляторов — на 90% по сравнению с фарфоровыми изделиями).
Существует большое количество фирм, занимающихся производством полимерных изоляторов: «Sediver» (Франция), «OHIO Brass» (Канада), «Furukawa» (Япония), ЗАО "Полимеризолятор" (Россия), "Энергия- XXI" (Россия), НПО "Изолятор" (Россия) и др. . Однако широкое внедрение этого >ф вида продукции — дело будущего. В ближайшие 10-20 лет композитные
изоляторы будут использоваться на вновь строящихся линиях наряду с керамическими, так как их стоимость существенно выше. Кроме того, пока не существует технической возможности замены крупногабаритных керамических изоляторов на полимерные. Сроки эксплуатации, полимерных изоляторов, которые декларируются в рекламных проспектах, — до 50 лет, еще никак не подтверждены.
Существуют керамические изоляторы высотой до 12 метров и j|, диаметром 2-2,5 метра. Изготовить такие полимерные изделия пока не
представляется возможным. В то же время стоимость таких изоляторов составляет несколько миллионов рублей. При возможном повреждении ребра такого изолятора он должен быть выведен из эксплуатации. Поэтому, на наш взгляд должно существовать и другое направление — ремонт керамических изоляторов. Безусловно, он оправдан в случае крупногабаритных изоляторов, а также в тех случаях, когда замена изолятора приводит к необходимости отключения энергосистемы на длительный срок.
Сама проблема ремонта керамических изоляторов распадается на несколько задач, которые в ряде случаев необходимо решать самостоятельно. Это такие задачи как устранение мелких дефектов (к ним относятся: отсутствие глазури, пузыри, трещины); ликвидация крупных повреждений —сколов ребер.
Существует и другая разновидность ремонта керамических изоляторов — создание на их поверхности защитного гидроизолирующего
15
покрытия. Среди изоляторов имеются конструкции (разрядники), в которых керамическое тело крепится к металлическому основанию с помощью бетонной прослойки. Таким, образом, в конструкции изолятора имеются стыки между материалами различной природы, попадание влаги в которые может вызвать выход изолятора из строя.
Имеются способы гидрозащиты изоляторов, такие как покрытие их ровным слоем компенсирующей промазки, например, лака. Подобный способ является общепринятым во многих странах. Однако он не является надежным, так как под действием атмосферных условий, высокого напряжения, вызывающего разогрев изолятора, светоозонного и ультрафиолетового воздействия такое покрытие быстро растрескивается и отслаивается. Обладая малой эластичностью, лаковая пленка способна быстро разрушаться при покрытии стыков материалов с разными коэффициентами теплового расширения, а благодаря тонкому слою покрытия процесс окисления и старения этой пленки происходит достаточно быстро. Лаковые покрытия, как правило, являются горючими. Кроме того, данный способ не устраняет влагу в бетоне и на стыках изоляторов.
Обобщая существующие в настоящие время представления о тенденциях развития конструкций, технологии производства и принципах эксплуатации высоковольтных изоляторов, следует отметить, что в мире отсутствует рациональная технология их ремонта, хотя ее создание может дать отрасли огромную экономию.
Разработка подобных способов ремонта включает в себя две задачи — поиск наиболее пригодных для этой цели материалов и нахождение последовательности технологических операций по устранению дефектов. При этом восстановленные изделия должны отвечать ряду требований. Они должны обладать:
1. Высокой трекингоэроззионной стойкостью;
2. Светостойкостью;
16
3. Способностью надежно работать в условиях низких и высоких температур (- 60 ° С -*¦ +60 ° С);
4. Обеспечивать надежную работу изоляции в условиях увлажнения и загрязнения за счет высокой гидрофобности композиции (каплевидное состояние влаги на поверхности покрытия без образования сплошной водяной пленки).
Требования к исходным материалам, технологии ремонта и продления срока службы изоляторов сформулированы в 1.4 и 1.5.
1.2. Полимерные высоковольтные изоляторы, особенности конструкций и используемые материалы.
Основная идея конструктивного решения наиболее распространенных подвесных композитных изоляторов весьма проста. Изолятор состоит из стеклопластикового стержня с закрепленными на концах металлическими оконцевателями для соединения со сцепной арматурой или с элементами конструкций электроустановок. Для защиты от воздействия окружающей среды и от возникновения треков под действием токов утечки по поверхности стержня, покрытого полимерной оболочкой, последняя чаще всего для увеличения длины пути утечки тока выполняется ребристой (рис. 1.1).
В ранних конструкциях изоляторов защитные покрытия делали по образцу фарфоровых подвесных изоляторов либо имеющих цилиндрические ребра для увеличения длины пути тока утечки, либо конусную форму элементов.
Подобные элементы («юбки») легко удаляются из отливочной формы, когда изготавливаются по одному. Однако с переходом от модульных отливок к полностью отливаемому телу, форма стала слегка конической и
17
дисковой, главным образом для облегчения изъятия изолятора из отливочной формы без повреждений.
Когда изоляторы испытывались в лаборатории при равномерном загрязнении, не было существенного различия в электрических характеристиках между юбками глубокой и слабой конусности и дисковыми юбками, а также различия между
юбками дисковой формы одного диаметра и теми, которые имели переменные (разные) диаметры. Характеристики определялись только длиной пути утечки и типом материала. Когда же изоляторы загрязняются в естественных условиях и очищаются, очевидно, что их электрические характеристики могут зависеть от формы.
Общий вид некерамического изолятора
С
1 - стекловолоконный стержень, 2- полимерная оболочка изолятора, 3- металлический оконцеватель Рис. 1.1 |
