» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
 » Все публикации автора

Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»

Май, 2018 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №5 (14) 2018

Автор: Ахметшин Эдуард Рауфович, студент
Рубрика: Технические науки
Название статьи: Перспектива применения полимерных изоляторов

Статья просмотрена: 1354 раз
Дата публикации: 30.04.2018

УДК 621.3

ПЕРСПЕКТИВА ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ.

Ахметшин Эдуард Рауфович

студент

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет, г. Уфа

 

Аннотация. Естественно – исследовательская работа полимерных изоляторов с применением метода условно – теоретического исследования. Ознакомление с историей появления полимерных изоляторов, характеристикой композитных изoлятoрoв различных поколений. Определение их преимуществ и недостатков. Демонстрация опыта применения полимерных изоляторов. Выявление перспектив и тенденций развития  современных полимерных изоляторов.

Ключевые слова: изолятор, полимерный, высоковольтный, эксплуатация, применение.

 

 Энергия становится все более ценным сокровищем современного мира. Потребность и готовность к сохранению энергии никогда не была так велика, как сейчас. Для экономии энергии и совершенствования технологий возобновляемой энергетики в современном мире применяют полимерную науку. Полимеры занимают центральное место среди материалов в изоляции высоковольтных линий и играют важную, повсеместную роль в повседневной жизни – от пластмасс и эластомеров до природных биополимеров.  

 Всё большую популярность в энергетике получают высоковольтные полимерные изоляторы многообразного использования. Залог бесперебойной поставки электроэнергии – это правильный выбор изоляторов, по типу и количеству, их качественность, надежность. От надежности изоляторов зависит жизнь обслуживающего персонала.   

Первые полимерные изоляторы появились в конце 60 – х годов. Проектировали их на эпоксидных смолах, срок службы имел маленький промежуток времени (5-7) лет. Материал поддавался разрушению из-за солнечной радиации и частичных разрядов на плоскости изолятора, в результате оболочка разрушалась. На поверхности появлялся след сильной эрозии и токопроводящие треки [3]. В конце 70 годов разработан полимерный изолятор с оболочкой из кремнийорганических эластомерных композиций (резин). Кремнийорганическая резина – эластичный каучук, в её основе – полиорганосилоксаны. Получают кремнийорганическую резину путём вулканизации каучука. В чистом виде кремнийорганическая резина оказывается непрочной, уязвимой для озона и света, не отличается электротехническими свойствами. Поэтому для достижения нужного результата, добавляют композитный материал - активный усиливающий наполнитель (двуокись кремния и нанопорошок двуокиси титана). В результате получается материал с приемлемыми свойствами и оптимальным качеством.

Полимерные изоляторы на сегодняшний день представлены в трех поколениях.

 Полимерные изоляторы I поколения: клееная техника производства с кремнийорганической оболочкой. Изолятор собирался вручную, путем пореберной проклейки (на стержень из стеклопластика надевались ребра и проклеивались). Ребра обеспечивали защитную оболочку для стеклопластикового стержня, создавая нужную длину пути тока утечки. Образование наличия границ раздела между ребрами и некачественно защищенного стержня подвергало оболочку изолятора разрушению, при попадании влаги образовывался «хрупкий излом»  и полимерный изолятор выходил из строя [4].

 Полимерные изоляторы II поколения. Изменена конструкция, изготавливали цельнолитой изолятор с кремнийорганической оболочкой и герметизацией клеем узла - касания оконцевателя с оболочкой. Отсутствие границ раздела между ребрами, герметизация узла (вход стрежня в оконцеватель) производилась посредством проклейки вручную компаундом холодного отвердения. Наблюдались случаи разгерметизации (распайки) стыка оконцевателя с защитной оболочкой, происходило проникновение влаги. В результате отсутствие полной герметизации узла сопряжения «оболочки – стержень - оконцеватель», сохранялась внушительная строительная высота в отличие от гирлянд [6].

 Полимерные изоляторы III поколения. Попытки устранить минусы производства изоляторов предыдущих поколений привели к разработке полимерного изолятора III поколения – это цельнолитой изолятор с кремнийорганической оболочкой, которая наносится под высоким давлением. Сразу на оконцевателе вулканизируется. Используется бесшовная технология. Процесс производства полностью автоматический, обеспечивается повышенная надежность. Гарантия производителя – 5 лет, срок использования предполагается 40 лет, уменьшенная габаритная и строительная высоты (снижена на 20%). Прочность к автоматическим воздействиям, вандализму, повышенная гидрофобность [4], [6].

 Производство полимерных изоляторов быстро развивается как во всем мире, так и в России. Сравнительно простой технологический процесс, не требующий больших площадей, сложного технологического оборудования, и устойчивый спрос на полимерные изоляторы привели к увеличению количества производителей.

 Полимерный изолятор сконструирован из стеклопластикового штыря, металлического оконцевателя и слоя из полимера. Предназначен стеклопластиковый штырь для электрической и механической стойкости изоляционного предмета. При помощи оконцевателя изолятор фиксируется к деталям опор воздушной трассе и проводам. Полимерный слой защищает штырь изолятора от климатических воздействий.

 В энергетике используют разнообразные каучуки: бутадиен-стирольные, бутадиеновые, кремнийорганические, этиленпропиленовые и натуральные. Тип радикалов определяет характеристики кремнийорганической резины. Кремний с кислородом – силоксановые, кремний с азотом – боросилоксановые, кремний с углеродом - силкарбоновые получаться каучуки [4]. 

 Преимуществами полимерных высоковольтных изоляторов являются: высокая механическая прочность; неизменность к атмосферным загрязнениям, солнечной радиации, стабильность к внешним электрическим разрядам, высокая стойкость к перенапряжению. Полимерные изоляторы не подвергаются термическим изменениям, обладают прочностью (справляются с ударами механических нагрузок и расстрелов, эксплуатационных, механических и электрических воздействий) и гибкостью конструкции. Присутствует отличная лиофобность, гидрофобность, слабая загрязнённость изоляционной поверхности, не нужно проводить очистку, дефектировку и профилактические работы. Отличная устойчивость к актам варворства, вандализма, обладают легким весом. Отмечена простота и удобство монтажных работ, транспортировки, обслуживании, применения [1], [ 2].

 В процессе эксплуатации и исследовательских работ выявились недостатки полимерных высоковольтных изоляторов: старение под воздействием ультрофиолета и солнечной радиации. При старении и воздействии высоких температур уменьшается механическая и электрическая прочность. Срок службы зависит от компонентов,  водопроницаемы, возможно появления трещин. Существует высокий риск пробоев при разгерметизации, сложность их замены, Они пожароопасны. Отсутствует технология замены их при работе под напряжением, не рекомендуется применять в разъединителях класса напряжения 220 кВ и более, возможность скрытых дефектов, изменение цвета в процессе использовании. Полимерные изоляторы подвержены биологическому загрязнению (грибковому) и воздействию выбросов металлургических и химических производств; [1], [2].

Использование высоковольтных полимерных изоляторов в мире остается предметом разногласий, острой дискуссии по вопросам, связанным с характеристиками и применением. Единой точки зрения не достигнуто, многие оценки и мнения носят противоречивый характер. Наиболее длительным и обширным опытом применения современных полимерных изоляторов является североамериканский опыт эксплуатации. Сегодня в США эксплуатируется примерно 25 % от вновь установленных линейных изоляторов. Оптимально они подходят для районов с сильными ураганными ветрами и различными загрязнениями. В связи с широким применением полимерных изоляторов в США разработана необычайно обширная американская научно – техническая литература, отражающая различные аспекты исследовательских мероприятий, свойств и характеристик сырья и материалов [7 п.11].

В Германии внедрение в эксплуатацию полимерных изоляторов признан положительным. В настоящий период времени полимерные изоляторы, установленные в районах с различными условиями загрязнения, эксплуатируются в значительном количестве двух типов: изоляторы в оболочке, вулканизирующиеся при комнатной температуре (RTV), и изоляторы с силиконовым слоем улучшенных свойств (HTV) [7 п.14].

В Китае в эксплуатацию введены десятки тысяч подвесных полимерных изоляторов и только силиконовые, обладающие сопротивлению ультрафиолетовому излучению, озону и коронных разрядов, которые лучше других противостоят искрению подсушенных зон, трекингу и эрозии. Особенным преимуществом их является гидрофобность. В сильно загрязненных районах используются полимерные подвесные изоляторы III поколения. Варварство по отношению к полимерным изоляторам в Китае отсутствует. Ведутся соответствующие проработки по усовершенствованию конструкции изоляторов для эксплуатации в зонах интенсивной грозовой активности, контроля за изменением механических характеристик изоляторов в процессе эксплуатации, повышения надежности крепления концевой арматуры [7 п.15].

В Канаде уже 12 лет в распределительных сетях среднего напряжения применяются полимерные изоляторы. У изоляторов нового поколения, являющимся прогрессом полимерной технологии, за 10 – 12 лет эксплуатации в условиях слабого уровня загрязнения отсутствуют характер старения. В настоящее время на подстанции все подвесные и натяжные гирлянды заменены на полимерные изоляторы, кремнийорганическое защитное покрытие нанесено  на все вводы выключателей и трансформаторов, покрышки измерительных трансформаторов и разрядников и большое число опорных изоляторов. Модернизированная изоляция подстанции в зимних условиях   работает надежно, хотя срок эксплуатации пока незначителен [7 п.12].

В различных районах Италии, в основном в условиях сильных осадков, интенсивной солнечной радиации, влаги принято решение установить несколько тысяч полимерных изоляторов нового поколения, представленными разными изготовителями  и с различными видами оболочки [7 п.13].  

В некоторых странах, как Индия, Египет, Австралия широко функционируют  полимерные детали: бустерные юбки, которые создают возможность удлинять путь утечки керамических подстанционных изоляторов [7 п.15].

В России полимерные изоляторы не получили широкого применения. Отставание от зарубежных стран – лидеров составляет примерно в 10 лет.  

Постоянным стимулом производства ПвИ является незначительное количество капиталовложений. Особенно приемлемо производство полимерных высоковольтных изоляторов для стран (Азии, Африки, Латинской Америки), которые испытывают трудности в приобретении традиционных изоляторов. Местное производство – шанс, который предоставляется полимерными материалами. В современных условиях, в период двадцатипятилетнего опыта, путём проб и ошибок полимерные изоляторы передовых фирм достигли состояния высоко технологических изделий.

Использование полимерных высоковольтных изоляторов экономически эффективно и перспективно. В период появления полимерных изоляторов их стоимость существенно превышала стоимости гирлянд стеклянных изоляторов, экономическая выгода обосновывалась экономией на транспортных, монтажных и эксплуатационных расходах. Экономически оправдано применение полимерных изоляторов на высоковольтных линиях напряжением 220 кВ и выше. Сегодня стоимость изоляторов полимерных ниже стоимости гирлянд стеклянных изоляторов. И с ростом номенклатуры изоляторов по рабочему напряжению и ограниченной механической стабильности  показатель экономии растёт в пользу полимерных изоляторов. Экономическая эффективность мотивирует преимущественное распространение полимерных изоляторов и стимулирует их на тенденции совершенствования и развития. 

В России полимерные изоляторы начали производиться недавно, около 35 лет назад и в эксплуатации до сих пор в действии не совсем удачные конструкции, которые дискредитировали полимерные изоляторы. Но современные полимерные изоляторы, вводимые в эксплуатацию, восстановят доверие потребителей. На сегодняшний день существует большое количество различных модификаций полимерных изоляторов и по -  настоящему не сложилось, а только разрабатывается [5]. Наибольшее преимущество полимерных изоляторов – существенно меньший вес, который облегчает и делает удобным монтаж ПвИ. Появляются производства, которые объединяют известные плюсы различных технологий производства композитных изоляторов. Доступны максимальные длины деталей за одну заливку, как вариант размещения силиконовых ребер вдоль изолятора и дифференциация их диаметра, оптимальный наклон ребер для стекания грязных жидкостей [5].

Полимерные высоковольтные изоляторы (ПвИ) в перспективе предположительно будут демонстрировать разнообразие свойств, предлагающие новизну и многогранность, которая может едва ли сопрягаться с любым другим видом материалов. Продолжится поиск более дешевых и доступных инновационных полимеров, упрощенных конструкций. Полимерные высоковольтные изоляторы с множеством преимуществ набирают тенденции ускоренного развития, как производства, так и номенклатуры. Усовершенствованные конструкции полимерных изоляторов нового поколения увеличат срока эксплуатации полимерных изоляторов  до 50 и более лет.

Заключение:

Полимерные высоковольтные изоляторы одно из трендовых направлений современных исследований, применяемых практически во всех областях, и находятся в стадии больших функциональных возможностей в России и во всем мире. Глобальный рынок освоения полимерных высоковольтных изоляторов к 2025 году вырастет на 5%.

Спорным из эксплуатационных показателей ПвИ является фактор надежности и старения. Основными причинами старения полимерных изоляторов в эксплуатации происходит за счет – солнечной радиации, перепада температур, влияния загрязнений и влажности. Начинаются ухудшения с обесцвечивания и появления шероховатости поверхности, затем происходит накопления загрязнения, начинает развиваться корона, появляются поверхностные разряды. Далее может произойти эрозия, повреждения и пробой защитной оболочки полимерных изоляторов.

Полимерные изоляторы незаменимы в условиях сильного загрязнения. Благодаря их хорошей самоочистке и гидрофобности поверхности, не требуется применять чистку и обмыв в эксплуатации.

По причине большой экономической эффективности, в некоторой степени «юного» опыта освоения, полимерные высоковольтные изоляторы требуют дополнительного изучения, исследовательских лабораторных опытов и теоретических размышлений. В заключение для перспективности развития полимерных изоляторов можно предположить следующее:

1.         Улучшение и усовершенствования характеристик ПвИ:

-           обеспечить ПвИ прозрачность. Прозрачность позволит предотвратить изменения цвета при эксплуатации, легко обнаружить при внешнем осмотре мелкие трещины, изломы и различные внутренние дефекты, примерно так же как у стеклянных изоляторов;

-           осуществить ПвИ художественный поиск. В преодолении недостатков полимерных изоляторов необходимо разработать и смоделировать новую конструкцию, структуру и модификацию, которая бы позволила обеспечить легкость и простоту их замены при работе под напряжением, минимизировать экологический риск;

-           в производстве использовать только инновационные высококачественные современные исходные материалы (нанокомпозиты), способные выдержать воздействие ультрафиолета и солнечную радиацию, стать пожаробезопасными, водонепроницаемы, предотвратит риск пробоев при разгерметизации, биологического и химического загрязнения, в результате уменьшиться старение, увеличиться срок службы и надежность полимерных высоковольтных изоляторов. Это сложный и многогранный процесс.

 2.        Обеспечить в процессе производства качество полимерных изоляторов, обеспечивая желаемые свойства материалов. Разработать нормативно – техническую базу, подтверждающую соответствие характеристик продукции всем техническим конкурентным требованиям (сертификаты, протоколы испытаний, аттестация и т.д.)

3.         Требуется создание нано-диагностического оборудования с применением цифровых технологий, обеспечивающим выявление в процессе работы загрязнения изоляционного полимера, обнаруживающее нарушение изоляции кабеля, уменьшение технической и электрической прочности инновационных полимерных высоковольтных изоляторов.   

 4.        Проводить популяризацию современности применения полимерных высоковольтных изоляторов, полимерной науки, путем создания школ – клубов любителей инновационных направлений, изучения опыта использования прошлых лет и полученных навыков мировой эксплуатации, обучения тонкостям мастерства, передовых функциональных возможностей, рекомендаций, инструкций и технологий замены при работе полимерных изоляторов под напряжением.

 5.        предприятиям - производителям полимерных высоковольтных изоляторов регулярно проводить обсуждения, взаимные дружеские консультации, международные конференции и выставки, научные симпозиумы, обмениваться опытом применения инновационных методов и материалов при производстве ПвИ.

 Таким образом, популярность применения полимерных высоковольтных изоляторов вырастет в случае снижения их стоимости, совершенствования свойств, модификаций, характеристик и номенклатуры, обеспечения более легкого и простого способа замены при работе под напряжением, использования при их производстве только качественного исходного материала, проектирования высокотехнологического, диагностического оборудования, выявляющего недостатки ПвИ. Полимерные изоляторы в будущем будут играть ключевую роль в поиске успешных путей решения полимерной высоковольтной изоляции и станет материалом нового тысячелетия, энергоэффективным, экологичным, наивысшего качества, низкой цены, позволяющей обеспечить лучшие решения изоляции высоковольтных линий по всему миру.

Международный и отечественный опыт эксплуатации полимерных изоляторов предоставляет основание рассчитывать на обмен новыми и захватывающими результатами ПвИ, дальнейшее прогрессивное расширение успешной эксплуатации в загрязненных районах без применения профилактических, сервисных, эксплуатационных мероприятий.     

 



Список литературы:

  1. Надежность полимерных изоляторов: миф или реальность?// Газета Энергетика и промышленность России// № 01-02 (165 – 166) январь 2011// Игорь Глебов.[Электронный ресурс] URL https://www.eprussia.ru/epr/165/12550.htm (Дата обращения 16.04.2018)
  2. Полимерные изоляторы//[Электронный ресурс] URL https://clck.ru/DEWGT (Дата обращения 14.04.2018)
  3. Высоковольтные изоляторы ЛЭП// В.А.Чунчин, кандидат технических наук (СИбНИИЭ)// [Электронный ресурс] URL https://clck.ru/DEWJk (Дата обращения 16.04.2018)
  4. Изучение мирового опыта и эффективности применения полимерной изоляции на ВЛ// [Электронный ресурс] URL https://clck.ru/DEWMB (Дата обращения 14.04.2018)
  5. Тенденции развития рынка изоляторов// [Электронный ресурс] URL http://www.gig-group.com/newspaper/article/734 (Дата обращения 16.04.2018)
  6. Технологии изготовления// [Электронный ресурс] URL https://clck.ru/DEWFi (Дата обращения 16.04.2018)
  7. Полимерные изоляторы. Опыт и перспективы. п.9-15 // [Электронный ресурс] URL http://www.insulators.ru/press/Composite.htm (Дата обращения 16.04.2018)


Комментарии:

Фамилия Имя Отчество:
Комментарий: