Długotrwała wytrzymałość konstrukcji Kompozytowych izolatorów liniowych

Transkrypt

1 Długotrwała wytrzymałość konstrukcji Kompozytowych izolatorów liniowych Badania porównawcze, weryfikacja kryteriów oceny i wytyczne doboru Ewa Strużewska PSE Operator SA 1. Wstęp W systemach energoelektrycznych stosuje się obecnie izolatory wysokonapięciowe, produkowane w jednej z trzech technologii: ceramiczne, ze szkła hartowanego i kompozytowe. Każdy rodzaj izolacji cechują specyficzne dla danego materiału parametry techniczne, pozwalające na wykorzystanie tych indywidualnych własności do odpowiedniego doboru izolatorów do różnorodnych narażeń eksploatacyjnych linii NN. Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Te W ostatnich latach obserwuje się duży wzrost zastosowań izolacji kompozytowej dla wysokich i bardzo wysokich napięć w energetykach takich krajów, jak Stany Zjednoczone, Kanada, Chiny i Indie. Izolatory te są chętnie stosowane z uwagi na ich unikalne cechy, w tym odporność na zabrudzenia, łatwość transportu i instalacji, czy możliwość budowy linii kompaktowych. Jednak doświadczenia eksploatacyjne związane z instalacją izolatorów kompozytowych obejmują dość krótki okres ich użytkowania, tym bardziej, że ciągłe zmiany materiałowe i technologiczne w produkcji nie pozwalają na wysnucie miarodajnych i obiektywnych wniosków o ich długotrwałej wytrzymałości eksploatacyjnej w porównaniu do pozostałych rodzajów izolacji. 2. Badania nad długotrwałą mechaniczną wytrzymałością izolatorów długopniowych Problem długotrwałej wytrzymałości mechanicznej izolatorów jest jednym z podstawowych, jeśli chodzi o zapewnienie niezawodnej eksploatacji linii i stacji elektroenergetycznych. Przez wiele lat starano się tak udoskonalić izolator, aby był on odporny na narażenia klimatyczne występujące w eksploatacji. W Polsce po raz pierwszy badania nad wytrzymałością zmęczeniową liniowych ceramicznych izolatorów długopniowych zostały podjęte w 2000 roku. Zostały one zainicjowane przez PSE SA, a zrealizowane przez Instytut Energetyki. Zbadano wówczas, czy obciążenie dynamiczne ma wpływ na część ceramiczną izolatora i w jaki sposób rzutuje ono na długotrwałą wytrzymałość izolatora długopniowego. Wyniki prób dla izolatorów ceramicznych okazały się bardzo pomyślne, w związku z tym podjętych badań nie kontynuowano. Temat wytrzymałości zmęczeniowej długopniowych izolatorów liniowych powrócił w kolejnych latach dla kompozytowych izolatorów liniowych. Wiązało się to planowanym podjęciem decyzji o zastosowaniu tego typu izolatorów w krajowej sieci NN (linia 400 kv Tarnów Krosno). Izolatory zainstalowane w napowietrznych liniach elektroenergetycznych są narażone na obciążenia mechaniczne o charakterze statycznym i zmiennym. Statyczne obciążenia pochodzą głównie od naciągu przewodów i ciężaru osprzętu, zmienne zaś są powodowane siłami przenoszącymi się z przewodów roboczych, a pochodzącymi od narażeń eksploatacyjnych (środowiskowych), tj. zjawisk mogących występować w liniach napowietrznych, takich jak: drgania eolskie (wiatrowe), taniec 74

2 przewodów, drgania podprzęsłowe, gwałtowne szarpnięcia od wiatru lub opadnięcia sadzi. Z problemem odporności izolatorów na obciążenia zmienne stykają się energetyki wszystkich krajów. Można więc sądzić, iż czołowe firmy zagraniczne również przeprowadzają badania w tym zakresie. O niektórych z nich pojawiają się wzmianki w materiałach konferencyjnych, jednak szerszych doniesień na ten temat w literaturze światowej nie odnotowano. Należy nadmienić, że zmarły niedawno ekspert CIGRE i IEC, dr Claude de Tourreil (prekursor wielu inicjatyw w zakresie badań izolacji napowietrznej) już w 2001 r. na międzynarodowej konferencji 2001 World Insulator Congress & Exhibition postulował rozszerzenie programu znormalizowanych badań izolatorów długopniowych, zarówno ceramicznych jak i kompozytowych, o próby zmęczeniowe. Mamy uzasadnione powody, by sądzić, że wnioski sformułowane na podstawie omawianych badań znajdą odzwierciedlenie w kolejnym wydaniu normy IEC 61109, dotyczącej badań izobat liniowych. Toteż z satysfakcją można stwierdzić, że pod względem zakresu wykonanych badań zmęczeniowych na izolatorach kompozytowych znaleźliśmy się w czołówce światowej. 3. Badania liniowych izolatorów kompozytowych Instytut Energetyki na zlecenie PSE Operator SA wykonał badania dotyczące wytrzymałości kompozytowych izolatorów liniowych na obciążenia zmienne. Pierwsze opracowanie pt. Badania wytrzymałości kompozytowych izolatorów liniowych przy obciążeniu cyklicznym (zmęczeniowym) na potrzeby budowy linii 400 kv Krosno-Tarnów (początek badań w 2003 r.) miało na celu określenie wpływu obciążeń cyklicznych na trwałość izolatorów kompozytowych instalowanych w wymienionej linii oraz zaproponowanie, na podstawie uzyskanych wyników, metody oceny i doboru wspomnianych izolatorów do pracy w warunkach narażeń na tego typu obciążenia. Drugi z kolei materiał pt. Porównawcze badania kompozytowych izolatorów liniowych pod względem wytrzymałości przy obciążeniu cyklicznym (praca wieloetapowa, od 2005 r.) został wykonany dla porównania długotrwałej wytrzymałości mechanicznej kompozytowych izolatorów liniowych pochodzących od różnych producentów (potencjalnych dostawców), a tym samym oceny przydatności tych izolatorów do warunków eksploatacyjnych w liniach NN. Próbom wytrzymałości zmęczeniowej poddano izolatory przeznaczone do linii 400 kv i 220 kv. Trzecia z cyklu praca pt. Ocena integralności elektrycznej długopniowych izolatorów kompozytowych poddanych długotrwałym obciążeniom cyklicznym (realizowana w latach ) obejmująca także integralność elektryczną, miała wykazać, czy i w jakim stopniu obniżenie wytrzymałości mechanicznej pod wpływem zmiennej siły rozciągającej powoduje utratę właściwości elektrycznych badanego izolatora i czy przed mechanicznym zniszczeniem izolatora nie pojawia się obniżenie jego wytrzymałości elektrycznej. Izolatory do badań długotrwałej wytrzymałości mechanicznej PSE Operator SA pozyskał bezpłatnie od czołowych producentów izolacji kompozytowej, w zamian za wyniki otrzymane z prób. Metodę badań opracowano wstępnie w Instytucie Energetyki dla izolatorów 110 kv, określając parametry kryterialne dla realizowanych badań, a następnie wyznaczono parametry obciążenia probierczego rozciągającego (maksymalne i minimalne wartości siły cyklicznie zmiennej Fm, dla dużej amplitudy zmian ± 25% Fm i małej amplitudy ± 12,5% Fm) dla izolatorów na napięcie 220 kv i 400 kv. Wspomniane badania zostały wykonane dla cykli zmian odpowiadających zjawisku drgań eolskich przewodów (najczęściej występujące zjawisko dynamicznych narażeń eksploatacyjnych napowietrznych linii elektroenergetycznych). Wzbudzane w przewodach drgania eolskie poprzez oddziaływanie nań wiatru przenoszą się na wszystkie elementy łańcucha izolatorowego, w tym na izolator, nakładając się na stałe obciążenie statyczne (instalacyjne) linii. Dobierając parametry obciążenia probierczego dla potrzeb prób z zakresu częstotliwości drgań eolskich, wybrano częstotliwość równą 7 Hz, czyli największą niechronioną przez osprzęt ochronny linii. Próby wykonano na kilku typach izolatorów, pochodzących od różnych producentów, wyznaczając charakterystyki zmęczeniowe tych izolatorów i zależności obciążenia probierczego od liczby cykli jego zmian. Celem realizacji badań była ocena trwałości liniowych izolatorów kompozytowych różnych typów i technologii na podstawie otrzymanych charakterystyk wytrzymałości zmęczeniowej. Na rys. 1, 2 i 3 pokazano izolatory kompozytowe różnych producentów, zniszczone w trakcie prób mechanicznych, przy obciążeniu cyklicznym. Na rys. 4 pokazano wykres zaproponowanej w wyniku badań tzw. ELEKTRO NERGETYKA nr 1 (3) /

3 krzywej kryterialnej. Izolatory o charakterystykach zmęczeniowych leżących powyżej tej krzywej można uznać za wystarczająco odporne na obciążenia zmienne. W trakcie realizacji ostatniej pracy sprawdzono, czy obniżenie wytrzymałości mechanicznej izolatora kompozytowego pod wpływem zmiennej siły rozciągającej nie spowoduje utraty własności elektrycznych tego izolatora przed wystąpieniem degradacji jego części izolacyjnej. 4. Seminarium podsumowujące cykl badań długotrwałej wytrzymałości Tematyka długotrwałej wytrzymałości konstrukcji kompozytowych izolatorów liniowych w świetle oferowanej na rynku krajowym wielości typów izolatorów dla linii NN oraz liczby producentów, okazała się na tyle interesująca i nowatorska dla energetyków, projektantów, a także pracowników nauki, że Departament Eksploatacji PSE Operator SA zorganizował seminarium podsumowujące (odbyło się r. w siedzibie spółki), na którym zaprezentowano wyniki z omawianych prac badawczych. Zakres badań, metodę i uzyskane rezultaty przedstawili autorzy prac: Jacek Wańkowicz, dyrektor Instytutu Energetyki i Jerzy Bielecki, Kierownik Zespołu. Program spotkania został zaprezentowany w trzech częściach, z których każda stanowiła zamkniętą całość. W części I omówiono zagadnienia ogólne dotyczące: genezy prac badawczych nad wytrzymałością izolatorów; podejmowanych inicjatyw związanych z pracami badawczymi oraz źródeł zmiennych obciążeń występujących w liniach NN, normalizacji izolatorów kompozytowych, w tym: zakresu postanowień normalizacyjnych; ewolucji znormalizowanych wymagań oraz przyjętego kierunku prac badawczych w organizacjach międzynarodowych CIGRE i IEC, współczesnych rozwiązań konstrukcyjnych izolatorów kompozytowych i stosowanych technologii, w tym rodzajów stosowanych materiałów, zakresu stosowania i przyczyn uszkodzeń. W części II zaprezentowano wyniki badań izolatorów kompozytowych wykonanych w latach , obejmujące następujące zagadnienia: wstępne badania zmęczeniowej wytrzymałości izolatorów liniowych Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Te (stanowisko badawcze; metodę badań i parametry obciążenia probierczego; wyznaczenie parametrów kryterialnych), badania zmęczeniowej wytrzymałości kompozytowych izolatorów liniowych (model wytrzymałości przy obciążeniu cyklicznym i jego wiarygodność; zakres stosowania modelu; porównawcze badania różnych typów izolatorów kompozytowych; zależność wytrzymałości zmęczeniowej od amplitudy obciążenia probierczego; wyniki prób zmęczeniowych i kryteria oceny), badania integralności konstrukcji izolatorów kompozytowych pod względem mechanicznym i elektrycznym (metoda badań; wielofazowe próby wytrzymałości mechanicznej i elektrycznej; badania mikroskopowe rdzeni). W części III zostały omówione: prognozowanie długotrwałej wytrzymałości mechanicznej konstrukcji kompozytowych izolatorów liniowych (znormalizowane modele wytrzymałości mechanicznej; model wytrzymałości zmęczeniowej; wpływ amplitudy na model wytrzymałości zmęczeniowej; prognozowanie trwałości konstrukcji izolatora poddanego obciążeniom zmiennym), koncepcja oceny jakości i trwałości izolatorów kompozytowych (wymagania znormalizowane i oczekiwane; wykorzystanie wyników badań zmęczeniowych), Dyrektor Instytutu Energetyki Jacek Wańkowicz poinformował zebranych o bardzo dobrym przyjęciu wyników badań nad wytrzymałością konstrukcji kompozytowych izolatorów liniowych na arenie międzynarodowej (konferencje CIGRE) oraz o pozytywnej recenzji artykułu dotyczącego wspomnianych badań, zaakceptowanego do publikacji w IEEE Transaction. 5. Wnioski z prac badawczych Jak wynika z przedstawionych statystyk, na świecie instaluje się coraz więcej izolatorów kompozytowych w liniach i stacjach NN. Obserwuje się jednocześnie dynamiczny rozwój w zakresie materiałów i technologii produkcji izolatorów kompozytowych. Z uwagi na łatwość wytwarzania izolacji kompozytowej, na rynkach pojawia się coraz więcej nowych producentów. Na rynkach światowych zaakceptowanych jest kilka technologii produkcji izolatorów kompozytowych. Trwają zaawansowane prace 76

4 Rys. 1. Izolator typu A 400 kv zniszczony podczas próby obciążeniem cyklicznym (maksymalny poziom obciążenia 88,1% SML) przy dużej amplitudzie 25% Fm Rys. 2. Izolator typu A 400 kv zniszczony podczas próby obciążeniem cyklicznym (maksymalny poziom obciążenia 66,7% SML) przy dużej amplitudzie 25% Fm

5 Rys. 3. Izolator typu B 400 kv zniszczony podczas próby obciążeniem cyklicznym (maksymalny poziom obciążenia 60.0% SML) przy dużej amplitudzie 25% Fm Rys. 4. Zależność wytrzymałości izolatora typu A 400 kv od liczby cykli zmian, przy dużej amplitudzie po aproksymacji funkcją potęgową

6 w Komitetach CIGRE i IEC nad rozszerzeniem zakresu znormalizowanych parametrów technicznych kompozytowych izolatorów liniowych i stacyjnych. Autorzy badań stwierdzili, iż model badań wytrzymałości izolatorów kompozytowych przy obciążeniach cyklicznych wraz z zaproponowanymi parametrami kryterialnymi został pozytywnie zweryfikowany, co potwierdza jego przydatność do zastosowań praktycznych: Kryteria przyjęte do oceny wytrzymałości izolatorów kompozytowych pod wpływem obciążeń zmiennych pozwalają na porównywanie wytrzymałości różnych typów izolatorów, co ułatwia dobór właściwej konstrukcji, najlepiej nadającej się do pracy w warunkach obciążeń cyklicznych. Poziom wytrzymałości (w stosunku do znamionowej wytrzymałości) izolatorów kompozytowych przy obciążeniach cyklicznych zależy przede wszystkim od technologii i od jakości wykonania izolatora oraz od właściwego ustalenia przez producenta znamionowego obciążenia mechanicznego. Wytrzymałość izolatorów kompozytowych przy obciążeniach cyklicznych zależy od amplitudy zmian obciążenia. Poziom wytrzymałości izolatorów kompozytowych przy obciążeniach cyklicznych w znacznym stopniu zależy od konstrukcji i wykonania węzła montażowego, czyli od połączenia szkłoepoksydowego rdzenia z metalowym okuciem. Badane typy izolatorów kompozytowych poddane długotrwałemu obciążeniu cyklicznemu zachowują integralność konstrukcji pod względem elektrycznym i mechanicznym prawie do momentu zniszczenia lub osiągnięcia poziomu charakterystyki zmęczeniowej. Obniżenie wytrzymałości mechanicznej liniowego izolatora kompozytowego pod wpływem zmiennej siły rozciągającej nie powoduje utraty właściwości elektrycznych izolatora, dopóki nie wystąpi degradacja jego części izolacyjnej. Podsumowując seminarium stwierdzono, że: Wykorzystując wyznaczony na podstawie badań model wytrzymałości izolatorów przy obciążeniu cyklicznym można prognozować długotrwałą wytrzymałość mechaniczną ich konstrukcji przy różnych parametrach obciążeń. W dalszych pracach badawczych należy rozpatrzeć koncepcję oceny, jakości i trwałości izolatorów kompozytowych, uwzględniając oddziaływanie wszystkich niechronionych częstotliwości drgań eolskich. 6. Wnioski końcowe 1. Z uwagi na fakt, iż izolacja kompozytowa stanowi aktualnie alternatywne rozwiązanie dla stosowanych od lat izolacji ceramicznej i szklanej, można liczyć się z jej świadomym wyborem do zastosowań na rynku krajowym. W związku z tym, wnioski praktyczne uzyskane z badań nad określeniem długotrwałej wytrzymałości konstrukcji kompozytowych izolatorów liniowych mogą być przydatne do celów przetargowych i projektowych, a także w efekcie końcowym do właściwego doboru izolatorów kompozytowych do odpowiednich warunków eksploatacyjnych i klimatycznych w nowobudowanych obiektach energetycznych NN. 2. Prace badawcze nad wytrzymałością liniowych długopniowych izolatorów kompozytowych wykonane przez PSE Operator SA we współpracy z Instytutem Energetyki stanowią wkład do nauki światowej oraz do normalizacji krajowej i IEC. Wnioski z omawianych prac będą pomocne przy podejmowaniu decyzji o standaryzacji urządzeń i aparatury z izolacją kompozytową oraz przy optymalizacji nowoczesnych rozwiązań sieci Najwyższych Napięć, takich jak np. linie kompaktowe. 3. Seminaria tematyczne tego rodzaju mogą inspirować nowe tematy badawcze oraz pilotażowe rozważania teoretyczne z dziedziny elektroenergetyki. Mgr inż. Ewa Strużewska koordynator w PSE Operator SA, absolwentka Politechniki Warszawskiej (1974 r. kierunek Technika Wysokich Napięć). Od 35 lat związana z energetyką krajową, jako pracownik Instytutu Energetyki ( , na stanowiskach od asystenta do adiunkta), Zakładu Energetycznego Warszawa Teren ( jako koordynator ds. urządzeń WN i NN), w PSE SA i PSE Operator SA ( ). Autorka i współautorka ok. 40 artykułów i referatów z dziedziny techniki wysokich napięć, współautorka normy PN-E :1998, autorka i współautorka ponad 50 niepublikowanych opracowań z zakresu energetyki wysokonapięciowej. Specjalizuje się w zagadnieniach izolacji wysokonapięciowej i przewodów energetycznych, w tym skojarzonych ze światłowodami (OPGW). Członek Komitetu Normalizacyjnego nr 76 PKN od 1992 r. Członek Komitetu Elektrotechniki PAN Sekcja Wielkich Mocy i Wysokich Napięć od 2008 r. 79