Твердая поступь нового изолятора для ЛЭП

Сегодня в России только Южноуральский арматурно-изоляторный завод (АО «ЮАИЗ», ЮАИЗ) освоил производство изоляторов для линий постоянного тока. Предприятие поставило на линии БОЛЕЕ ПОЛУМИЛЛИОНА изоляторов. Техническая служба завода провела огромную работу по освоению этих изделий и постановке их на производство. Учтены нюансы множества испытаний и практической работы. Сегодня руководитель этого направления – технический директор завода Олег Николаевич Ефимов с полным правом выступает в роли эксперта.

Первые линии для передачи постоянного тока построили еще в конце XIX века. Одной из основных проблем было преобразование постоянного тока в переменный и наоборот (где это было необходимо). Это и служило ограничением в строительстве таких линий. И лишь с 50-х годов прошлого века начался, можно сказать, экспоненциальный рост линий постоянного тока (подземных, подводных, воздушных).

Сейчас высоковольтные линии электропередач постоянного тока (HVDC) используются для передачи больших электрических мощностей. При передаче электроэнергии на дальние расстояния устройства системы HVDC менее дорогие и имеют более низкие электрические потери. Даже при использовании на близких расстояниях, где стоимость преобразовательного оборудования HVDC‑системы сравнима со стоимостью системы переменного тока, линия постоянного тока имеет больше преимуществ.

Стоимость строительства линии на постоянном токе (800кВ) в 2,5 раза ниже стоимости на переменном токе (765 кВ). Но для проектов DC существенно возрастают расходы на строительство подстанций.

Кроме экономии при строительстве линий постоянного тока за счет проводов, изоляторов и арматуры (снижается общее количество), также снижаются потери на передачу электроэнергии. Есть еще одна особенность линий постоянного тока, о которой нечасто упоминают, но всегда держат в уме, – очень малая вероятность воровства электроэнергии с такой линии.

Эксплуатация изоляторов на линиях постоянного тока, а именно длительное воздействие сильного постоянного электромагнитного поля, и привело к дополнительным требованиям как к элементам изоляторов, так и к изолятору в целом.

В этих условиях увеличивается электрохимическая коррозия (унос электронов). Это сказывается на металлических элементах изоляторов – шапке и стержне. Эти элементы несут основную механическую нагрузку, поэтому их необходимо защищать от коррозии. Обычного цинкового покрытия, нанесенного горячим способом, здесь недостаточно, оно будет «съедено» и начнется разрушение основного металла. За 10–20 лет эксплуатации сечение стержня может уменьшиться в два раза, и ни о какой механической прочности изолятора и подвески уже говорить не стоит. Поэтому стержень и шапку защищают дополнительной цинковой защитой – цинковым воротником у шапки, цинковой втулкой у стержня (см. рис. 1). Воротник и втулку располагают в месте раздела воздух / цементная связка, именно здесь поверхностные токи утечки и вызывают коррозию. Эти элементы должны плотно прилегать к основному металлу, соприкосновение должно быть не менее 80% от площади взаимодействия воротник – шапка и втулка – стержень. Если есть
малейший зазор, т. е. отсутствие плотного контакта цинка с металлом, то металл начнет корродировать сразу.

Для изолирующих элементов постоянное электромагнитное поле также представляет опасность. В составе изоляционных материалов есть ионы, которые при длительном воздействии «разворачиваются». При этом они создают своеобразные дорожки проводимости, приводящие к пробою или перекрытию изоляторов. И это касается любых изоляторов – фарфоровых, полимерных, стеклянных. В каждом случае эту проблему можно решить.

В случае с фарфоровыми изоляторами основную проблему представляет глазурь. В ней находится много ионов щелочных металлов, и там развивается поверхностная проводимость. Решение – подбор глазури с малым количеством щелочных ионов.

У полимерных изоляторов – наиболее сложная и опасная ситуация. В нынешних полимерных изоляторах основную несущую и изоляционную функцию выполняет стеклопластиковый стержень. Именно он подвергается внутренним изменениям под действием постоянного электромагнитного поля. Как известно, стеклопластиковый стержень состоит из стеклянных нитей (ровинга), пропитанных полимерными составами. Эти стеклянные нити и включают в себя ионы щелочных металлов, которые рано или поздно приведут к пробою изолятора по стержню. Если в производстве фарфоровых или стеклянных изоляторов изготовитель сам подбирает составы стекол, электрофарфоровых масс, глазури, то в производстве полимерных изоляторов можно полагаться только на поставщиков. Даже если стеклопластиковый стержень делается на своем производстве, ровинг закупается. И из какого стекла он сделан, – известно только изготовителю стеклянных нитей. Именно из-за опасения непредсказуемого поведения при эксплуатации полимерные изоляторы не допускаются к линиям постоянного тока.

Стеклянные изоляторы подвергаются той же опасности, что и фарфоровые – ионной миграции. Для «стекла» есть два выхода: первый – применение малощелочного стекла (например, 13В), второй – применение щелочного стекла с измененным соотношением
щелочных ионов. В первом случае, как понятно из названия, в стекле ионов щелочных металлов мало, а во втором случае ионы щелочных металлов «тормозят» друг друга, мешая выстроиться в проводящую дорожку.

На сегодняшний день в России только АО «ЮАИЗ» освоил производство изоляторов для линий постоянного тока и поставил на линии более полумиллиона изоляторов. При освоении изоляторов на нагрузку 160, 210 и 300 кН завод пошел по второму пути – изменение соотношения ионов щелочных металлов, т. к. выпуск малощелочного стекла сопровождается выделением фторидов, что негативно влияет на экологию.

Для проверки соответствия изоляторов для установки на линии постоянного тока существуют специальные испытания, предназначенные только для изоляторов этого вида:

1. Выдерживаемое напряжение постоянного тока в среде SF6 (элегаз). Изоляторы испытываются в камерес давлением газа. На изолятор подается напряжение в 1,5 раза выше нормированного выдерживаемого сухого напряжения постоянного тока. Напряжение выдерживается в течение 20 минут (см. рис. 2).

2. Электрическое сопротивление тела. Замеряется между шапкой и стержнем при 120 градусах Цельсия (см. рис. 3).

3. Миграция ионов. Имитирует прохождение количества заряда, аналогичного проходящему, в течение 50 лет эксплуатации. Время испытания рассчитывается исходя из получившегося электрического сопротивления тела и может составлять от одной недели до трех месяцев и дольше (чем более высокое сопротивление, тем меньше срок испытаний). В течение всего испытания на изоляторы подается напряжение постоянного тока 65…75 кВ, и в камере создается температура 90…130 °C. От величины температуры и напряжения также зависит длительность испытаний. Испытанию подвергают 50 изоляторов. (см. рис. 4).

4.Тепловой разгон. Нахождение изолятора под напряжением постоянного тока 110 кВ в течение восьми часов при температуре 80 градусов.

Все указанные испытания при успешном их прохождении говорят о правильно выбранном изоляционном материале. Еще одной особенностью линий постоянного тока является достаточно сильное загрязнение изоляторов.

Постоянное электромагнитное поле усиленно притягивает пыль и грязь, находящиеся в атмосфере. Следствием этого является применение изоляторов с бОльшей длиной пути утечки, чем для линий переменного тока. А большие нагрузки, из-за применения проводов большего сечения, приводят к применению тяжелонагруженных изоляторов и арматуры, чаще всего на 300 кН и, незначительно, на 160 и 210 кН.

Изолятор для линий постоянного тока (см. рис. 5) – это изделие, которое вобрало в себя большое количество исследований, опытов и испытаний. И такие изоляторы универсальны. Они способны стоять как на линиях постоянного тока, так и на стандартных линиях переменного тока, чего нельзя сказать об изоляторах для переменного тока: применение их на HVDC приведет к катастрофе.