Сделано в России

С осени 2010 по весну 2011 года филиал ОАО «МРСК Урала» «Челябэнерго» были проведены крупнейшие испытания фарфоровых опорно-стержневых изоляторов на классы напряжения 35 и 110 кВ, находящихся в эксплуатации. Данные испытания являются уникальными для отечественной электроэнергетики.

На подстанции ПС «Казачья» (г. Южноуральск) были обследованы 122 колонки, состоящие из изоляторов типов ИОС-110-1250 УХЛ1, ИОС-110-600 УХЛ1, ИОС-35-1000 УХЛ1 и 48 изоляторов С4-450 УХЛ1 заводов-производителей ВЗЭФ (г. Великие Луки), ЭЛИЗ (г. Пермь), ЛФЗ (г. Санкт-Петербург), СЗФИ (г. Славянск, Украина). Общее количество изоляторов составило 291 шт. (табл. 1). Работы проводились в три этапа по специально разработанной программе. В первую очередь изоляторы параллельно обследовались тремя методами диагностики: виброакустическим (прибор МИК-1), ультразвуковым неразрушающим контролем (УЗНК) и прибором «Корсар», непосредственно на ПС «Казачья». По результатам диагностики принималось решение о демонтаже изоляторов. Затем демонтированные изоляторы испытывались акустико-эмиссионным методом (прибор ПАК-3М). Заключительное испытание – испытание изгибающей механической нагрузкой до разрушения. Все обследованные изоляторы были разделены на 3 группы: «Норма», «Контроль» и «Брак». У изоляторов группы «Норма» отсутствуют дефекты и имеется высокий рабочий ресурс. Изоляторы группы «Контроль» можно эксплуатировать, но необходимо периодически обследовать для определения изменения работоспособности. Группа «Брак» подлежит незамедлительной замене. Необходимо отметить, что из 48 изоляторов только семь было отбраковано одновременно двумя и только один изолятор всеми тремя методами диагностики. Остальные изоляторы (41 шт.) были забракованы одним методом, а другим отнесены либо к нормальным, либо к контролю. По результатам обследования ни один изолятор типа С4-450 не был демонтирован. Проверке прибором ПАК-3М подверглись только демонтированные изоляторы. Проведение данного испытания непосредственно на разъединителе оказалось невозможным, так как при приложении механической нагрузки, предусмотренной данным методом, начала деформироваться рама разъединителя. Поэтому предварительно отбракованные другими методами и демонтированные изоляторы испытывались на испытательной базе на специально изготовленной раме (табл. 2). Приборы МИК-1 и «Корсар» давали оценку колонки в целом, а метод УЗНК оценивал каждый изолятор отдельно. В случае браковки одного изолятора в составе колонны колонна демонтировалась полностью. После 1-го этапа из 291 обследованного изолятора различными методами диагностики был демонтирован 91 изолятор, из которых отбраковано 48 шт.

Заключительным испытанием было определение фактической механической прочности фарфоровых изоляторов путем приложения изгибающей механической нагрузки до разрушения. Данное испытание, так же как и испытание прибором ПАК-3М, проводилось на испытательной станции ЗАО «ЭНЕРГИЯ +21» (п. Увельский). 61 из 91 демонтированного изолятора был 1993–1994 года выпуска, далее по убыванию были представлены изоляторы 1995, 1991, 1996 года выпуска и три изолятора 1998–2000 годов. Таким образом, можно смело рассматривать данные испытания как определение фактической механической прочности изоляторов, находившихся в эксплуатации 17 лет. Испытания проводились на испытательной машине с вертикальной установкой изолятора, в полном соответствии с требованиями ГОСТ Р 52034-2008. Изгибающая нагрузка прилагалась к верхнему фланцу, нижний фланец фиксировался на основании испытательной машины. Изоляторы выдерживались при минимальной разрушающей нагрузке в течение 1 минуты, после чего доводились до разрушения. В случае достижения изгибающей нагрузки в 1500 кг испытания останавливались без разрушения изолятора. В соответствии с оценкой методов диагностики по результатам механических испытаний изоляторы были разделены на 3 группы. Первая группа, «Норма», – изоляторы, разрушившиеся при нагрузке, равной или большей минимальной разрушающей нагрузке, и изоляторы, выдержавшие испытания без разрушения. Вторая группа, «Контроль», – изоляторы, разрушившиеся при нагрузке ниже минимальной разрушающей, но выше испытательной. В соответствии с ГОСТом 52034-2008 испытательная нагрузка составляет 70% от минимальной разрушающей. На заводах-изготовителях при приемосдаточных испытаниях испытательной нагрузкой испытываются 100% опорно-стержневых изоляторов. Максимальная нагрузка при эксплуатации не должна превышать 40% от минимальной разрушающей нагрузки. Третья группа, «Брак», – изоляторы, разрушение которых произошло при нагрузке, равной или ниже испытательной (табл. 3).

Так как основное количество изоляторов было доведено до разрушения, появилась реальная возможность определить факторы, которые могут снизить механическую прочность изоляторов в эксплуатации. При испытаниях опорно-стержневых изоляторов до разрушения, проводящихся в объеме приемосдаточных испытаний на заводах-изготовителях, изоляторы разрушаются в нижнем опасном сечении (участок изолятора между нижним фланцем и нижним ребром), так как данное сечение является наиболее нагруженным. Большинство изоляторов, испытанных в Южноуральске, разрушались ниже нижнего опасного сечения в заделке фланца, при этом фарфор в месте разлома дефектов не имел. Данный факт объясняется снижением механической прочности цементного шва под воздействием атмосферных осадков. На данных изоляторах, выпущенных в соответствии с действующим на тот момент ГОСТом 9984, цементный шов закрывался красками ХВ или ПФ (фото 1). Эти краски имели слабую адгезию с цементом и достаточно быстро утрачивали защитную способность. Следствием этого было промокание и постепенное снижение механической прочности цементного шва. С 2002 года ОАО «ЭЛИЗ» и ООО «ВЗЭФ» ввели защиту цементного шва силиконовыми герметиками и современными красками по бетону типа «Тексил» (фото 2). Испытания на надежность, проведенные на изоляторах с покрытием цементного шва силиконом и «Тексилом», показали высокие защитные свойства указанных материалов в сравнении с красками ХВ и ПФ. Применение современных материалов исключает снижение механической прочности армировочного шва, выявленного в результате описываемых испытаний. Восемь изоляторов производства ВЗЭФ из девяти, отнесенные к группе «Брак», выдержали нагрузку ниже испытательной, но выше максимальной эксплуатационной. Один изолятор ИОС 35-1000 УХЛ1 1993 года выпуска разрушился при эксплуатационной нагрузке при испытаниях прибором ПАК-3М. На изоляторе обнаружены дефекты фарфора, которые могли быть выявлены на заводе-производителе при ультразвуковом контроле, но данный метод контроля был введен на ВЗЭФ в 2002 году. Наихудший результат получен на изоляторах ИОС 110-1250 УХЛ1 Ленинградского фарфорового завода (ЛФЗ). Брак составил свыше 57%. Шесть изоляторов из восьми, отнесенных по результатам механических испытаний к группе «Брак», разрушились при нагрузках от 180 до 500 кг, то есть при нагрузке ниже возможной при эксплуатации. Изоляторы 1993 года выпуска. Причина низкой механической прочности – грубые нарушения технологии армирования (фото 3), а также низкое качество фарфора. Предположительно изоляторы были выпущены из фарфора подгруппы 110 вместо положенной подгруппы 120 по ГОСТу 20419. Учитывая исключительно большой процент брака, а также недопустимо низкую механическую прочность, изоляторы ИОС 110-1250 УХЛ1 производства ЛФЗ, находящиеся в эксплуатации, должны быть срочно заменены на изоляторы других производителей.

Из таблицы 4 видно, что процент ложнобракованных изоляторов необычайно велик. Наиболее высокий процент совпадения на приборе ПАК-3М отчасти связан с тем, что на нем проверялись изоляторы, ранее отбракованные другими методами, а отчасти тем, что акустико-эмиссионный метод основан на приложении механической нагрузки к проверяемому изолятору и некоторые из проверяемых изоляторов разрушались непосредственно при диагностике.

Из семи изоляторов, забракованных одновременно двумя методами диагностики, четыре по результатам механических испытаний отнесены к группе «Контроль», а три изолятора к группе «Норма». Единственный изолятор, забракованный одновременно приборами МИК-1, «Корсар» и УЗНК, выдержал нагрузку на 36% выше минимальной разрушающей. Следует признать, что на данный момент нет единственного абсолютно надежного метода диагностики. Все используемые в эксплуатации методы подлежат доработке и дальнейшей проверке. Использование приборов МИК-1 и «Корсар» при входном контроле может стать причиной ложной браковки 87–90,5% абсолютно годных изоляторов. Как говорилось в начале статьи, проведенные филиалом ОАО «МРСК Урала» «Челябэнерго» испытания уникальны. Поэтому достаточно трудно сопоставить их результаты с результатами испытаний других видов изоляторов. Тем не менее нам удалось найти публикации о проведении в 2007 году инфракрасного контроля линейных подвесных полимерных изоляторов на ВЛ 220 кВ Мутновская ГеоЭС – ПС «Авача» и ВЛ 220 кВ Богатовская–Тягун со сроком службы полимерных изоляторов 9 и 11 лет соответственно и результаты анализа отказов фарфоровых стержневых изоляторов для контактной сети электрифицированных железных дорог Индии, проведенного в период с 2000 по 2006 год (табл. 5).

Из всего изложенного выше можно сделать следующие выводы. Снижение механической прочности фарфоровых опорно-стержневых изоляторов после 17 лет нахождения в эксплуатации не носит массового и угрожающего характера, за исключением изоляторов производства ЛФЗ. Изоляторы производства ЛФЗ требуют обязательной замены. Снижение механической прочности связано с ослаблением армировочного шва. Применяемые в ОАО «ЭЛИЗ» и филиале ОАО «ЭЛИЗ» «ВЗЭФ» современные средства защиты узла армирования минимизируют данный фактор. Внедренный с 2002 года 100% ультразвуковой неразрушающий контроль фарфора исключает возможность попадания в эксплуатацию изоляторов с внутренними дефектами. Имеющиеся на сегодняшний день методы диагностики требуют доработки и уточнения браковочных критериев. В этом вопросе ОАО «ЭЛИЗ» более 10 лет сотрудничает с разработчиком УЗНК ООО «ЦИВОМ» и в настоящее время ведет переговоры с разработчиком прибора МИК-1 НПО «Логотех» о проведении совместных исследований. Отечественные фарфоровые изоляторы по своей надежности не уступают полимерным изоляторам и фарфоровым изоляторам производства Индии.