Как показала практика эксплуатации разъединителей, важнейшей частью, влияющей на надежность их работы, являются опорно-стержневые фарфоровые изоляторы (ОСИ). Повреждаемость высоковольтных разъединителей из-за поломок ОСИ по-прежнему остается высокой, а по мере старения изоляторов вероятность их выхода из строя увеличивается.

По данным ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», существенная часть отечественных разъединителей с ОСИ выпуска 90-х – начала 2000-х годов имеют невысокое качество фарфора. Это также подтверждается практикой эксплуатации разъединителей – в 70-80 % случаев основной причиной их разрушения является низкое качество изготовления ОСИ, обусловленное нарушением технологических режимов процесса производства фарфора. Поломки ОСИ приводят к отключениям потребителей и к несчастным случаям.

Ввод в действие в 2008 г. последней редакции ГОСТ Р 52034 «Изоляторы керамические опорные на напряжение свыше 1000 В», предъявившего более жесткие требования к техническим характеристикам ОСИ, заставил отечественные заводы - изготовители разработать и запустить в производство ОСИ новых серий с улучшенными характеристиками [1]. Улучшение характеристик было обеспечено за счет применения высокоглиноземного фарфора подгруппы не ниже 120 ГОСТ 20419-83 для изготовления изоляционной части изолятора; применения высокопрочного чугуна ВЧ 45, ВЧ 50 для изготовления арматуры взамен серого чугуна; внедрения антикоррозионного термодиффузионного цинкового покрытия на арматуру (горячий цинк); защитой цементных швов силиконовым герметиком. Заводы-изготовители также усовершенствовали технологию изготовления ОСИ и систему контроля качества. Все это позволило для модернизированных изоляторов установить срок службы не менее 30 лет до замены при соблюдении требований нормативной документации. Изоляторы при этом не должны требовать обслуживания в течение всего периода эксплуатации. Модернизированные изоляторы сохранили ранее существовавшие присоединительные размеры и являются взаимозаменяемыми с ранее серийно выпускаемыми изоляторами.

Является очевидным, что основным путем повышения надежности эксплуатируемых высоковольтных разъединителей с фарфоровыми ОСИ, является применение в них новых модернизированных изоляторов. Однако количество таких ОСИ, находящихся в эксплуатации в настоящий момент, составляет не более 40 % от общего их числа. Соответственно, основная доля ОСИ, находящихся в эксплуатации, приходится на изоляторы предыдущих серий, значительная часть из которых к тому же имеет сверхнормативный срок службы. Наметившаяся в последнее время тенденция по ускоренной замене ОСИ старых серий и с истекшим сроком эксплуатации, к сожалению, была заторможена некоторым сокращения инвестиционных программ ведущих отечественных энергокомпаний и, соответственно, прогнозируемым снижением темпов внедрения модернизированных ОСИ.

В таких условиях, как показала практика работы многих энергопредприятий, эффективным способом предупреждения аварий и поломок ОСИ является контроль их технического состояния в условиях эксплуатации, выявление внешних и внутренних дефектов ОСИ. На это были направлены: циркуляр РАО «ЕЭС России» «О предупреждении поломок опорно-стержневых изоляторов разъединителей 110-22 кВ» № Ц01-01 (Э) от 14.05.2001г., «Методические указаниями по контролю механического состояния фарфоровых опорно-стержневых изоляторов разъединителей 110 кВ и выше и фарфоровых покрышек высоковольтных воздушных и масляных выключателей в условиях эксплуатации», утв. 30.12.2004г. РАО «ЕЭС России» и согласованных с ОАО «ФСК ЕЭС», Положение ПАО «Россети» «О единой технической политике в электросетевом комплексе» [2, 3, 4]. Ввод в действие этих документов значительно активизировал работу энергопредприятий по применению методов и средств диагностики технического состояния ОСИ, привлек внимание разработчиков к решению этой актуальной проблемы.

Рис.1 Общий вид разъединителей в ОРУ 110 кВ.

Выбор и применение в условиях эксплуатации универсального и достоверного метода диагностики, пригодного для ОСИ разных марок, различных периодов выпуска, изготовленных различными производителями, является актуальной и нетривиальной задачей. С этой целью Службой комплексной диагностики электрооборудования (СЭЭФ) ООО ИЦ «ЭнергоРазвитие» была проведена объемная работа по сравнению различных методов контроля механического состояния ОСИ по всей совокупности их качеств (достоверность отбраковки, однозначность трактовки полученных результатов, трудозатраты, удобство применения, доступность для освоения персоналом и пр.). Было выявлено, что к настоящему времени разработано достаточно большое количество методов и соответствующих приборов [5,6]. Однако на практике только незначительная часть из них нашла то или иное практическое применение. В итоге, на основании проведенного сравнительного анализа и предварительного опыта эксплуатации, в качестве основного был выбран акустико-эмиссионный (АЭ) метод контроля механического состояния ОСИ [4].

Электротехнический фарфор является композиционным материалом, состоящим в основном из кварцевых частиц, распределенных в стеклообразной матрице. В процессе изготовления изолятора эти частицы подвер¬гаются воздействию значительных растягивающих напряжений, возникающих при охлаждении фарфора после обжига из-за разных коэффициентов линейного расширения двух материалов. При действии этих напряжений могут зарождаться микротрещины в кварцевых частицах, стеклообразной матрице и на их границах. Этот процесс, в некоторой степени, характерен даже для доброкачественных изделий.

Надежность изолятора определяется, в первую очередь, качеством его фарфорового тела. При этом:

• дефекты даже очень малых размеров (например, поверхностная трещина глубиной всего 0,1мм, расположенная у нижнего фланца изолятора способны привести к разрушению изолятора;
• длительность развития трещины от ее зарождения до излома фарфора трудно прогнозировать (от секунд до нескольких лет);
• визуально обнаружить внутренние трещины фарфора (а также трещины, расположенные под фланцем изолятора) невозможно, а поверхностные трещины - очень трудно.

Воздействие на изолятор внешней силы приводит к появлению в нем дополнительных напряжений, разрушению новых частиц и скачкообразному росту микротрещин. При этом будут излучаться сигналы акустической эмиссии. Количество их пропорционально числу разрушенных частиц, которое, в свою очередь, зависит от характера распределения их прочностей и от уровня приложенной нагрузки.

Важно отметить, что при первичном нагружении АЭ регистрируется даже у доброкачественных изделий. При повторном нагружении АЭ не будет до тех пор, пока нагрузка не превысит величины, которую она достигла в первом цикле нагружения, и пока не начнут растрескиваться частицы, имеющие большую прочность, чем разрушенные при первом нагружении. Описанное явление характерно для доброкачественного фарфора и получило название "эффект Кайзера".

Эффект Кайзера нарушается (то есть при повторном нагружении наблюдается АЭ), в том случае, если в фарфоре происходит рост так называемой "магистральной трещины" (МТ). Для МТ характерно, что она развива¬ется даже при постоянном уровне нагрузки. Таким образом, в фарфоре возможны два типа трещин: первый - неопасное микрорастрескивание, которое затухает при постоянном уровне нагрузки и второй - МТ, развивающаяся при постоянной и даже несколько сниженной нагрузке.

Для фарфора известна изображенная на Рис.2 зависимость скорости V роста МТ от величины коэффициента интенсивности напряжений , пропорционален корню квадратному из длины трещины L и растягивающему напряжению:

,

где А – коэффициент, зависящий от свойств материала.

Если длина трещины и приложенное напряжение таковы, что меньше порогового коэффициента интенсивности , то трещина не будет развиваться (V=0), то есть срок службы изделия неограничен. Если же , то трещина будет расти со скоростью:

,

где n – параметр, равный для фарфора 30 – 40;

– критическое значение (при изломе изделия);/p>

и – коэффициенты, зависящие от свойств материала.

,

Рис. 2. Зависимость скорости роста магистральной трещины в керамике и активности акустической эмиссии от коэффициента интенсивности напряжений

Срок службы изделия с МТ, равный времени развития МТ до излома изделия, можно найти по формуле:

,

Поскольку показатель степени n для фарфора равен 30 - 40, срок службы изделия резко меняется даже при небольшом изменении соотношения .

Например, для одного из сортов фарфора (см. Таблицу 1) указаны величины и соответствующие сроки службы фарфора.

	0,26	0,30	0,33	0,38
Т	20 лет	1 год	1 месяц	1 сутки

Таблица 1.

Отсюда следует важный для практики вывод. Недопустимо эксплуатировать фарфоровое изделие с МТ, так как его срок службы трудно прогнозировать, а незначительное увеличение нагрузки приведет к разрушению. Поэтому изоляторы с МТ необходимо выявлять и отбраковывать.

Изолятор с МТ можно выявить, как указано выше, по нарушению эффекта Кайзера. На основе этого эффекта разработан способ контроля, который позволяет оценить состояние изолятора по активности АЭ не в процессе нагружения, а при постоянной испытательной нагрузке. Проводится два цикла механического нагружения ОСИ до заранее выбранной величины испытательной нагрузки. В каждом цикле при постоянной величине испытательной нагрузки делается замер активности АЭ. При втором замере активность АЭ должна быть равна нулю в доброкачественном изделии. Если же в изоляторе развивается МТ, то, как правило, за время замера регистрируются десятки, а иногда и сотни импульсов АЭ.

Опытным путем обнаружено, что при повторном нагружении изолятора без МТ может появиться АЭ при нагрузке, равной максимальной нагрузке первого цикла. Это вызовет ошибочную браковку изделия. Чтобы этого избежать, необходимо в первом цикле максимальную нагрузку выдержать постоянной примерно 60 секунд и только потом снижать ее. Кроме того, максимальная нагрузка первого цикла должна быть на 7 -10 % больше максимальной нагрузки второго цикла.

Важным методическим вопросом при АЭ контроле является правильный выбор испытательной нагрузки. Она должна имитировать возможные эксплуатационные нагрузки, а ее значение должно быть равно или больше максимального значения эксплуатационной нагрузки. Если при выполнении этих условий в изоляторе не обнаружена МТ, то можно гарантировать, что в эксплуатации она тоже не будет развиваться.

Как известно, разъединитель комплектуется такими изоляторами, минимальная разрушающая нагрузка которых в 2,5 раза больше максимальной эксплуатационной нагрузки. Таким образом, испытательная нагрузка должна быть равна 40% минимальной разрушающей нагрузки для данного типа ОСИ.

Еще раз следует обратить внимание на то, что указанная испытательная нагрузка не превышает штатную расчетную эксплуатационную нагрузку, и, соответственно, не может быть причиной дополнительных повреждений для доброкачественного ОСИ.

АЭ контроль выполняется с помощью АЭ прибора ПАК-ЗМ и прибора УКИ-1. Прибор ПАК-ЗМ непосредственно предназначен для выявления развивающейся трещины в ОСИ. Основными его блоками являются 2 АЭ датчика и блок индикации. Прибор УКИ-1 предназначен для задания механической нагрузки. Основными его блоками являются механическое нагружающее устройство (МНУ) и блок индикации.

Рис. 3. Внешний вид приборов АЭ контроля ПАК-ЗМ и УКИ-1 (кликабельно)

Практика проведения обследований полностью подтверждает рекомендации о необходимости проведения контроля ОСИ для:

• вновь поступающих на энергопредприятия изоляторов 110 кВ (как в составе разъединителей 110-220 кВ, так и отдельных партий);
• изоляторов любых типов по истечении гарантийного срока на разъединители 110- 220 кВ;
• изоляторов любых типов при проведении среднего ремонта разъединителей 110-220 кВ;
• изоляторов любых типов при обнаружении на них сколов фарфора, дефектов армировочных швов или контактной системы разъединителя, которые могли бы привести к снижению механической прочности изоляторов и (или) к существенному увеличению нагрузок на них;
• изоляторов, отобранных из резерва (после длительного хранения) для замены.

Более чем десятилетний опыт применения ООО ИЦ «ЭнергоРазвитие» АЭ метода для контроля ОСИ показал его эффективность, достоверность и надежность.

Так, например, с 2010 г. по 2019 г. специалистами организации в АО «Татэнерго» было обследовано более 10 тыс. шт. ОСИ. Из них забраковано порядка 240 шт. (из них 46 шт. разрушились при нагрузке не более 20% от минимальной разрушающей нагрузки, а остальные – по показаниям прибора ПАК-М). Итого, число забракованных ОСИ составило около 2,4% от числа проверенных.

При этом на момент начала проведения массовой диагностики ОСИ с помощью АЭ метода процент дефектных ОСИ от числа проверенных, как правило, не превышал 4-5%. Большинство случаев отбраковки ОСИ приходилось, начиная с 10-15 года их эксплуатации. Браковались в основном очень старые ОСИ, а также ОСИ выпуска 1990-х годов периода выпуска серий ИОС, АКО ОНС, КО и некоторых других, что очевидно связано с недостаточно тщательным соблюдением технологии при их изготовлении в указанный период и зачастую встречающимся дефектом типа «открытая микроскопическая пористость фарфора». При наличии такого дефекта и нарушения герметизации армировочного шва в районе фланца ОСИ происходит впитывание воды в тело фарфора и его разрыв вследствие расширения льда при замерзании воды в холодный и переходные периоды года. Указанное приводит к появлению магистральных трещин и нарушению механической целостности ОСИ.

Рис. 4. Внешний вид отбракованного (как по показаниям прибора ПАК-3М, так и по внешнему виду) в эксплуатации ОСИ с магистральными трещинами, первопричиной которой явился производственный дефект «открытая микроскопическая пористость. (кликабельно)

Видно нарушение целостности покрытия армировочного шва, через которое происходит попадание воды внутрь фланца, что вкупе с наличием дефекта «открытая микроскопическая пористость» приводит к ее впитыванию в ОСИ со стороны фланца с последующим замерзанием в холодные периоды года, объемным расширением льда и образованием крупных трещин.

Рис.5. Образец с дефектом «открытая микроскопическая пористость» на изломе ОСИ.

Отколотый от основного тела образец пробы фарфора (см. Рис. 5) показал впитывание микропорами красителя – фуксина (метод фуксиновой пробы под давлением), т.е. показал наличие микропор, через которые в тело ОСИ в условиях эксплуатации происходит впитывание воды.

Статистика отбраковок модернизированных серий ОСИ более поздних периодов выпуска, изготовленных с учетом введения в действие требований ГОСТ Р 52034-2008 «Изоляторы керамические опорные на напряжение свыше 1000 В. Общие технические условия», является значительно более благоприятной, т.к. согласно ГОСТу существенно ужесточены конструктивно-технологические требования и требования к контролю качества ОСИ при их изготовлении.

Также статистика отбраковок имела тенденцию к улучшению и в связи с тем, что подошел период контроля ОСИ, которые ранее уже проходили проверку и из числа которых уже были отбракованы дефектные ОСИ.

Так, например, в качестве иллюстрации можно привести статистику контроля ОСИ на ПС «КАМАЗ» ОАО «КАМАЗ» (см. Таблицу 3).

Показательна тенденция числа отбраковок: при повторных проверках через период контроля в 4 года наблюдалось явное снижение числа отбракованных ОСИ. С момента начала проведения обследований выходы ОСИ из строя в эксплуатационный период отсутствовали. Опытным путем на примере проведенных обследований для климатических условий Приволжья установлена рекомендуемая периодичность проведения обследований - не реже 1 раза в 4 года.

В целом, благодаря внедрению метода АЭ контроля ОСИ силами ООО ИЦ «ЭнергоРазвитие» в АО «Татэнерго» удалось добиться качественного снижения повреждаемости ОСИ. Так, благодаря более чем десятилетнему периоду использования диагностики ОСИ с помощью АЭ метода, в 2019 г., было забраковано только 1,5% ОСИ от числа проверенных. В итоге, падения и другие инциденты с ОСИ, эксплуатирующимися в составе высоковольтных разъединителей 110-220 кВ в АО «Татэнерго» за период 2019 г. отсутствовали, что подтверждает эффективность применяемого метода АЭ контроля ОСИ и соответствующей аппаратуры ПАК-3М и УКИ-1.