В.А. Чунчин, кандидат технических наук (СибНИИЭ)

Сегодня для электроэнергетиков в России и во всем мире термин"полимерные изоляторы" стал уже привычным и понятным. Правда, за рубежом чаще используют термин "изоляторы из композитных материалов". Однако основные элементы конструкции любого полимерного изолятора (ПИ) во всех случаях одни и те же:

  • стеклопластиковый элемент, несущий механическую нагрузку;
  • металлические оконцеватели или фланцы для крепления к токоведущим частям и заземленным конструкциям;
  • полимерная оболочка, защищающая несущий стеклопластик от атмосферных воздействий и формирующая необходимую длину пути утечки тока.

История развития ПИ у нас и за рубежом имела драматическое начало из-за неудачного выбора материала оболочки. Практически все первые конструкции ПИ создавались на основе эпоксидных смол. Лучшие из них выдерживали 5-7 лет эксплуатации. Под воздействием солнечной радиации и поверхностных частичных разрядов оболочка разрушалась, на ее поверхности появлялись следы сильной эрозии и токопроводящие треки.

 Новый этап в развитии ПИ у нас наступил, когда в конце 70-х усилиями двух организаций Минэнерго СССР, - Сибирским НИИ энергетики и Славянским СКТБ ВПО "Электросетьизоляция", с участием Ленинградского НИИ постоянного тока и Московского ВЭИ были разработаны ПИ с оболочкой из кремнийорганических эластомерных композиций (резин).

 Прошло более 20 лет с момента изготовления и испытания первых опытных образцов ПИ. За это время были разработаны научные основы производства таких изоляторов, подготовлены нормативные документы, в том числе ГОСТ 28856-90 "Полимерные изоляторы. Технические требования. Методы испытаний и приемки".

 Для подтверждения высоких эксплутационных характеристик первые партии изоляторов устанавливались в районах с экстремальными климатическими условиями: в Якутии, Туркмении, на севере Тюменской области и т.д. В настоящее время в эксплуатации находится более 400 тысяч ПИ на ВЛ всех классов напряжения от 35 до 750 кВ и несколько сотен опытных образцов опорных изоляторов на ОРУ 35 и 110 кВ

 Из опыта эксплуатации и лабораторных испытаний ПИ, демонтированных после различной продолжительности эксплуатации, установлены следующие положительные результаты:

  1. в районах с умеренными загрязнениями не зарегистрировано случаев пробоя изоляторов или их ребер, образования трека или эрозии оболочки;
  2. изоляторы сохраняют высокие значения удельного поверхностного сопротивления: в одинаковых условиях этот показатель в 3-4 раза выше, чем у стеклянных изоляторов;
  3. влагоразрядные напряжения ПИ, бывших в эксплуатации от 5 до 12 лет, почти вдвое выше, чем у гирлянд стеклянных изоляторов, с той же длиной пути утечки, эксплуатировавшихся в тех же условиях;
  4. ПИ сохраняют исходно высокую электрическую прочность при воздействии грозовых и коммутационных перенапряжений, не изменяя их даже после неоднократных перекрытий, сопровождавшихся силовой дугой;
  5. механическая прочность ПИ превышает нормированную величину;
  6. электрическая прочность стеклопластикового стержня и границы раздела его с полимерной оболочкой остается на исходном уровне, что говорит об отсутствии электрического старения и надежной защите стеклопластика от влаги;
  7. напряжения зажигания короны на оконцевателях и защитных экранах превышает рабочее напряжение ВЛ. До последнего времени были известны лишь единичные случаи аварийных отказов линейных ПИ. Расследования показали, что к отказам приводят три характерные причины:
  8. некачественное выполнение работ на отдельных операциях сборки изоляторов при отсутствии должного контроля качества готовой продукции (единичные случаи с изоляторами ВЛ 110 кВ: механическое разрушение из-за некачественной опрессовки оконцевателя и пробой по границе раздела полимерной оболочки со стеклопластиковым стержнем из-за сборки без герметика или малым его содержанием);
  9. необоснованное изменение отлаженной и проверенной испытаниями конструкции изолятора в целях ее упрощения и удешевления (два случая разрушения изоляторов ВЛ 35 кВ из-за отсутствия дугоотводящих дисков на оконцевателях: длительное горение дуги однофазного КЗ привело к прогоранию оконцевателей, увлажнению стеклопластикового стержня и к последующему его пробою);
  10. воздействие на изолятор нерасчетных механических нагрузок (единичный случай на ВЛ 500 кВ в Тюменьэнерго: подсечка фазного провода негабаритным транспортом с передачей изгибающей нагрузки на изолятор, в результате чего произошел чрезмерный изгиб стержня, его расщепление, разрыв защитной оболочки, постепенное увлажнение и последующее разрушение стержня).

 Объем опытной эксплуатации ПИ на наиболее массовых распределительных ВЛ 35-220 кВ сегодня вполне достаточный, чтобы провести оценку надежности отечественных изоляторов нового поколения.

 Наибольшее распространение ПИ получили на ВЛ 110 КВ. Объем наработки здесь составляет боле 3*10е изоляторолет. За этот период зарегистрировано 2 аварийных случая. Это означает, что среднегодовой уровень отказов у таких изоляторов не превышает 1.10"6.

 Для изоляторов на напряжение 35 кВ наработка около 1,5*106 изоляторолет также при двух отказах; среднегодовой уровень отказов менее 2.10"6

 На ВЛ 220 кВ наработка изоляторов чуть более 2*105 изоляторолет при отсутствии аварийных случаев; соответственно среднегодовой уровень отказов не более 5*10(-6).

 Как видим, показатели надежности очень высокие, превышающие аналогичные показатели одиночных подвесных изоляторов в 100 раз и более.

 На ВЛ сверхвысоких классов напряжений 330-750 кВ объемы наработок ПИ много меньше и полученные расчетные значения показателей надежности не столь внушительны. Однако, нет оснований опасаться, что они будут существенно ниже показателей ПИ на 220 кВ.

 В своих отзывах об эксплуатации кремнийорганических ПИ сетевые предприятия энергосистем, кроме высокой эксплуатационной надежности, отмечают и другие достоинства изоляторов нового поколения:

  • малый вес (в 10-15 раз легче соответствующей гирлянды изоляторов);
  • устойчивость к ударным механическим нагрузкам и актам вандализма, в том числе к расстрелам;
  • удобство в монтаже и транспортировке;
  • эстетичный внешний вид.
  • Высокая гидрофобность
  • Самосброс загрязнений

 Есть в их отзывах и замечания о недостатках. Чаще всего отмечаются три принципиальных недостатка:

  1. Во-первых, линейные полимерные изоляторы ВЛ 35 и 110 кВ для слабозагрязненных районов (РЗА с 1 по 3) имеют строительную длину большую, чем типовая гирлянда изоляторов, примерно, на 20 см. Это специфическая особенность не только полимерных, а всех стержневых изоляторов. Тем не менее она нередко является препятствием к использованию ПИ при замене гирлянд изоляторов на ВЛ с предельными габаритами. У изоляторов этих же классов напряжения для районов с загрязненной атмосферой (РЗА с 4 по 7), а также у всех изоляторов на более высокие напряжения этот недостаток отсутствует.
  2. Во-вторых, практически у всех ПИ, установленных на ВЛ до 1999г., оконцеватели имеют узлы сочленения с линейной арматурой только двух типов: проушина (верхний оконцеватель) и пестик (нижний), тогда как типовая подвеска гирлянд в верхней части имеет узел сферического зацепления (типа <гнездо>). Это также затрудняет простую замену гирлянды на ПИ. Требуется устанавливать дополнительную арматуру либо менять весь узел крепления подвески. Это надо воспринимать как наказ изготовителям по совершенствованию конструкции ПИ.
  3. В-третьих, на оконцевателях некоторых изоляторов, несмотря на наличие цинкового покрытия, через 5-10 лет появляются следы ржавчины. Причина все та же - низкое качество защитных покрытий. Сегодня все изготовители ПИ, кроме одного, наносят цинковое покрытие не горячим способом (в расплаве цинка), а гальваническим. Проверка цинковых покрытий на оконцевателях демонтированных с ВЛ изоляторов показала, что во многих случаях толщина и равномерность этих покрытий очень часто не соответствует требованиям общих технических условий к линейной арматуре по ГОСТ 13276-79.

 В целом, отечественный опыт эксплуатации ПИ серии ЛК можно квалифицировать как очень успешный. Аналогичные результаты применительно к изоляторам с кремнийорганической оболочкой получены и за рубежом, где такие изоляторы используются в гораздо больших объемах и более продолжительное время.

 По мере накопления положительного опыта эксплуатации ПИ возрастал на них и спрос. Развивалось и производство. Сравнительно простая технология изготовления изоляторов, не требующая больших площадей и сложного технологического оборудования, свобода предпринимательства и устойчивый спрос, все это стимулировало быстрый рост производства. При этом увеличивался не только объем производства, но и количество производителей. Если 10 лет назад в границах СССР действовало всего 2 предприятия по выпуску ПИ: одно в России - Опытное предприятие Сибирского НИИ энергетики (г.Новосибирск), другое на Украине - производственный участок в СКТБ ВПО <Союзэлектросетьизоляция> (г.Славянск), то сегодня только в России их наберется не менее 10.

 В этот период, как и в любой другой сфере производства, формировались предприятия двух типов. Одни - акционерные общества, учредителями которых становились крупные действующие предприятия, обладающие опытом становления и управления сложным производством и прямо заинтересованные в массовом выпуске высококачественных изоляторов нового поколения. Они в деловом партнерстве с наукой, с разработчиками конструкций и технологий ПИ создавали собственную хорошо оснащенную производственную базу, укомплектованную квалифицированным персоналом. Это позволило им в кратчайший срок организовать выпуск высококачественной продукции, а затем, расширяя ассортимент совершенствовать конструкции и технологию изоляторов с учетом требований эксплуатации и новых сырьевых материалов, появляющихся на рынке, уделяя большое внимание контролю качества.

 Другая категория производителей, малые предприятия, действует по методу <копирования> полученных из различных источников лишь отдельных, пользующихся наибольшим спросом типов изоляторов. Здесь чаще всего работают случайные люди, не имеющие специальной профессиональной подготовки, практически отсутствует технологический и выходной контроль продукции. Все это соответствующим образом отражается на качестве и надежности ПИ.

 В этой связи у отечественного производства полимерных изоляторов появился ряд новых проблем. Прежде всего - это проблема обеспеченности высококачественными исходными материалами. В условиях общего экономического спада в стране, увеличивающегося спроса на сырье и монопольного положения основных производителей стеклопластика, кремнийорганической резины и герметика снижается качество и увеличивается стоимость сырья, поступающего изготовителям изоляторов, срываются сроки поставки.

 Вторая, не менее важная проблема, во многом связанная с первой, исходит от самих изготовителей. Чтобы не останавливать производство из-за отсутствия сырья, они порой используют некачественные материалы, не соответствующие требованиям технических условий (ТУ). Как правило, этим грешат малые предприятия, которые не проверяют качество получаемого сырья, а чаще всего и не могут этого сделать из-за отсутствия соответствующего лабораторного оборудования и специалистов. Недостатки таких изоляторов не всегда удается выявить даже при их периодических испытаниях (по ГОСТ 18856-90). Однако они неизбежно проявятся в процессе эксплуатации. Наиболее вероятно это произойдет за пределами срока гарантии изготовителя по ГОСТ (3 года).

 Наконец, третья проблема, обусловлена продолжающимся поиском новых, более доступных и дешевых материалов, более простых конструкций изоляторов и технологий их изготовления. В последние годы энергосистемам предложен ряд изоляторов с оболочкой из таких материалов (этиленпропиленовые резины и радиационно обработанные полиолифины). Не отвергая в целом необходимость поиска новых материалов, пока есть все основания утверждать, что названные и другие материалы оболочек ПИ не могут в полной мере конкурировать с фемнийорганической по трекинго- эрозионной стойкости и стабильности влагоразрядных характеристик. Об этом же говорит и мировая практика.

 Замечательные свойства кремнийорганической оболочки обусловлены уникальной способностью этого материала сохранять гидрофобные свойства наружной поверхности в течение всего срока службы даже в сильно загрязненном состоянии.

 Наглядной иллюстрацией того, что опасность первых двух проблем реальна, является целая серия аварийных разрушений в 1999-2000г на ВЛ 330 кВ ПИ, изготовленных на ЗАО <Завод полимерных изоляторов> (г.Новосибирск). Первые отказы изоляторов начались уже через полгода после монтажа на линии. Из 650 установленных изоляторов за 1,5 года вышло из строя 6, больше, чем всех других вместе взятых П И за 20 лет. Этот случай стал предметом рассмотрения ! на специальном совещании Департамента электрических сетей РАО <ЕЭС России>. Лабораторные исследования фрагментов аварийных изоляторов, выполненные в СибНИИЭ под руководством автора настоящей статьи, показали, что причина разрушений предельно проста: некачественная сборка изоляторов с использованием не регламентированного ТУ герметика, который не обеспечил необходимой защиты от проникновения влаги к стеклопластиковому стержню у оконцевателей.

 Потребителями ПИ в лице сетевых предприятий энергосистем необходимо соблюдать осторожность в выборе производителя, учитывая его производственные возможности, а главное объем и опыт эксплуатации продукции. Наличие сертификата соответствия, как показала практика, не является гарантией высокого качества и надежности. Хотя именно это должно стать первейшей задачей ассоциации, <Энергосерт>.

 Среди отечественных производителей ПИ наибольшее доверие вызывает предприятие ОАОг <Энергия-21> (г.Южноуральск  Челябинской области), организованное в 1993г. по инициативе Южноуральского арматурно-изоляторного завода (ЮАИЗ) и ряда крупнейших энергосистем '' Уралэнерго при поддержке Департамента Электрических сетей РАО <ЕЭС России>.

 С первых дней <те предприятие установило партнерские отношения с СибНИИЭ, разработчиком конструкций и технологий ПИ, выполняющим также работы по исследованию новых материалов, обобщению опыта эксплуатации и расследованию причин аварийных отказов. Здесь была официально получена исходная конструкторская и технологическая документация. Здесь проходили обучение тонкостям мастерства и стажировку ведущие специалисты предприятия. По сей день проходят взаимные консультации и обмен опытом. Сегодня <Энергия-21> -это крупнейший в России производитель кремнийорганических ПИ. Изоляторы с маркой <Энергия-21> знают энергетики Урала и Сибири, Дальнего Востока и Центральных районов страны. За 7 лет им изготовлено и передано в эксплуатацию более 150 тысяч линейных ПИ 20-ти типов: на все классы напряжения от 35 до 500 кВ, на все классы механической нагрузки от 70 до 160 кН и для всех РЗА (от 1 до 7). Это больше половины всех ПИ, находящихся в эксплуатации на территории России. Ни на один из них за все время не поступило ни одной рекламации.

 Большим преимуществом <Энергии-21> является возможность использовать арсенал производственных возможностей и технологий своего главного учредителя - ЮАИЗ, Благодаря ему это сегодня единственный в России поставщик полимерных изоляторов:

  • с высококачественными металлическими оконцевателями, изготовленными методами ковки, штамповки и литья, с горячим, а не электролитическим, цинкованием поверхности;
  • с любыми типами зацепления, используемыми в изолирующих подвесках, в том числе и со сферическими (типа <гнездо>).

 В 2000г. АО "Энергия-21" расширило ассортимент своей продукции, освоив массовый выпуск полимерных опорно-стержневых изоляторов для ОРУ подстанций (ПС) напряжением 10, 35 и 110 кВ (16 типов) и 18 видов изоляторов для контактной сети железных дорог. Все изоляторы прошли приемочные испытания в испытательных центрах ЮАИЗ, ВЭИ (г.Москва), Завода электротехнического оборудования (г.Великие Луки), НИИ железнодорожного транспорта (г.Москва) и сертифицированы ассоциацией <Энергосерт>. У АО <Энергия-21> большие перспективы по освоению новых конструкций ПИ с использованием новейших технологий. Будущее за такими предприятиями.

 В заключение коротко об экономической эффективности от использования полимерных изоляторов. 10-15 лет назад стоимость ПИ была существенно выше стоимости гирлянд стеклянных изоляторов, и экономическая эффективность обосновывалась экономией на транспортных, монтажных и эксплуатационных расходах. Экономически оправданным было применение ПИ на ВЛ напряжением 220 кВ и выше. Сегодня стоимость ПИ равна или даже ниже стоимости гирлянды стеклянных изоляторов. Причем с ростом класса изолятора по рабочему напряжению и нормируемой механической прочности этот показатель улучшается в пользу ПИ. Это несомненно должно стимулировать преимущественное распространение линейных полимерных изоляторов. Что касается стоимости опорных ПИ для ОРУ подстанций, то они пока существенно дороже фарфоровых. Однако интерес к ним со стороны эксплуатационников неизменно высок из-за устойчивости при воздействии ударных механических и электродинамических нагрузок при высоких влагоразрядных характеристиках.