"Новости Электротехники №2(56)" ОПОРНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ИЗОЛЯТОРЫ Биологическая атака

	< Предыдущая ] [ Следующая >	Журнал №2 (56) 2009 год


	ОПОРНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ИЗОЛЯТОРЫ Биологическая атака При выполнении технического обследования ряда подстанций в районе Карельского перешейка и Южной Карелии установлена аномально высокая загрязняемость опорных полимерных изоляторов классов напряжения 35–110 кВ. В ходе исследований обнаружена грибковая природа загрязнений. Сегодня наши петербургские авторы дают рекомендации по режиму эксплуатации имеющихся изоляторов, а также по разработке устойчивых к грибковому поражению материалов защитного покрытия и по микроскопическому контролю качества поверхности изготавливаемых изоляторов. Ирина Кирцидели, к.б.н., Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН Эдуард Соловьев, к.т.н., ЗАО «АИЗ» Михаил Ярмаркин, к.т.н., ФГОУ ДПО «ПЭИПК» г. Санкт-Петербург Рис. 1 Опорные полимерные изоляторы типа ИОСПК 10-110/480- II-УХЛ1 в составе разъединителя горизонтально поворотного типа. Видны загрязненные и чистые ребра Высоковольтная полимерная изоляция в настоящее время интенсивно внедряется в энергосистемы практически всех стран мира. В России применение полимерных изоляторов получило важное специфическое направление, связанное с использованием опорных изоляторов всех классов напряжения до 220 кВ включительно. Причиной этого являются сложные климатические (главным образом, температурные) условия, вызывающие разрушение традиционно использовавшихся фарфоровых изоляторов, что уже привело к многочисленным авариям на действующих подстанциях. Применение полимерных изоляторов вместо фарфоровых позволяет повысить надежность подстанций, однако требует учета специфических свойств полимерных материалов, проявляющихся при длительной эксплуатации. Изготовленные из полимерных материалов защитные оболочки опорных изоляторов обладают высокой химической стойкостью, широким температурным диапазоном и, что очень важно, высокой гидрофобностью. С другой стороны, в зависимости от большого числа различных факторов однотипные изоляторы компаний-производителей существенно различаются по качеству. Причем определить действительное состояние изделия можно лишь в результате испытаний, нередко требующих значительных средств и сложного оборудования. Более того, к снижению качества изоляторов могут привести нарушения технологического режима, обнаружить которые в готовом изделии существующими средствами крайне затруднительно, а стандартизированными испытательными процедурами просто невозможно. В качестве примера можно указать на аномально высокую загрязняемость опорных полимерных изоляторов в некоторых районах Южной Карелии. Карельский перешеек и Южная Карелия – это территория к северу от Санкт-Петербурга, ограниченная Финским заливом Балтийского моря и Ладожским озером. Здесь расположен ряд населенных пунктов, а также промышленные предприятия по заготовке леса и добыче гранита. Энергоснабжение этих объектов осуществляется по воздушным линиям электропередачи 110 кВ и распределительным сетям 35 и 10 кВ с помощью ряда понижающих подстанций. Начиная с 2002 года некоторые из этих подстанций были снабжены опорными полимерными изоляторами (ОПИ) 35 и 110 кВ, выполняющими функции шинных опор, а также опорно-поворотных элементов в разъединителях горизонтально-поворотного типа РНД и РНДЗ (рис. 1). В общей сложности в настоящее время на пяти обследованных в ходе выполнения настоящей работы подстанциях системы ОАО «Карелэнерго» установлены более 300 ОПИ, причем замена традиционных фарфоровых изоляторов на полимерные происходила ежегодно практически одинаковыми партиями. В эксплуатации находятся ОПИ четырех различных российских производителей. Часть ОПИ изготовлена методом пореберной сборки, а другая часть – методом отливки. Защитная оболочка ОПИ светло-серого и синего цвета изготовлена из кремнийорганической резины высокотемпературной вулканизации (HTV). АНОМАЛЬНЫЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОПИ В процессе эксплуатации было замечено, что с течением времени установленные ОПИ покрываются загрязнениями, состоящими из отдельных пятен черного цвета диаметром до 20 мм. На рис. 1 видны только нижние поверхности ребер, однако загрязнения в равной степени покрывают и верхнюю поверхность, концентрируясь на внешней периферии ребер. Вертикальные цилиндрические поверхности загрязнены в несколько меньшей степени. Постепенно увеличиваясь в размерах, на некоторых ОПИ за пять лет эксплуатации пятна загрязнений покрыли поверхность полимерной защитной оболочки сплошным слоем, что вызвало необходимость специальных работ по очистке этих изоляторов. Наличие и концентрация загрязнений не связаны с ориентацией поверхности относительно внешнего электрического поля или относительно розы ветров, не зависят от расположенных рядом предметов или области преимущественной освещенности. Поскольку аналогичные процессы возникновения пятен имеют место на всех ОПИ в различной степени, наблюдения не позволили также связать загрязняемость ОПИ с какой-либо из фирм-изготовителей. Наиболее действенным установленным эксплуатационным фактором, оказывающим влияние на загрязняемость ОПИ, является длительность эксплуатации: чем она больше, тем сильнее увеличиваются размеры, плотность почернения и концентрация пятен загрязнений. Кроме того, была отмечена зависимость интенсивности загрязнений ОПИ от расстояния до места проведения карьерных (в том числе взрывных) работ на горно-добывающем предприятии по добыче гранита: наибольшее число сильно загрязненных изоляторов и наибольшая степень загрязнения наблюдаются на подстанции № 93 «Карьерная», расположенной на расстоянии 1,5–2 км от места проведения работ. На подстанции «Лахденпохья», расположенной на расстоянии более 30 км от места горных разработок, уровень загрязняемости ОПИ в целом заметно ниже. Важно заметить, что на ряде изоляторов отмечено существенное различие загрязняемости ребер: наряду с ребрами, покрытыми пятнами загрязнений, имеются ребра, практически свободные от загрязнений (рис. 1). Во всех случаях это различие наблюдалось исключительно на изоляторах, изготовленных по методу пореберной сборки, эксплуатируемых в течение наиболее длительного времени (выпуск 2002 г., эксплуатация с 2003 г.). На изоляторах, изготовленных методом литья, такого не наблюдается. При этом плотность загрязнений на ребрах соответствует общей отмеченной выше тенденции к усилению загрязняемости при увеличении длительности эксплуатации, в то время как чистые ребра явно выпадают из этой зависимости, сохраняя свое исходное чистое состояние значительно лучше, чем другие изоляторы, установленные позже. Загрязнения в виде пятен также крайне незначительны (практически отсутствуют) на поверхности размещенных рядом фарфоровых опорных изоляторов, несмотря на то, что в эксплуатации они находились намного дольше (10–15 лет). В целом общий уровень загрязняемости фарфоровых опорных изоляторов значительно ниже, чем у полимерных. Несмотря на наличие загрязнений, поверхность ОПИ в полной мере сохраняет гидрофобность: вода концентрируется на ней в виде обособленных капель, в то время как на фарфоровых изоляторах образует ровную пленку. Гидрофобность поверхности ОПИ была полностью восстановлена даже после испытаний на трекингоэрозионную стойкость, связанных с длительным воздействием электрической дуги. При этом высокой гидрофобностью обладает не только собственно поверхность полимерного материала, но и возникшие на ней загрязнения, что является проявлением известного свойства силиконовой резины передавать гидрофобность. Это объясняется сложной молекулярной структурой материала, в составе которого присутствуют, наряду с прочной полимерной решеткой, легкие, не связанные с ней молекулы. Они, обладая способностью к диффузии, перемещаются внутри защитного слоя, выходят на поверхность и обволакивают находящиеся на ней частицы. Таким образом, наблюдаемые в данном случае загрязнения оказываются гидрофобными в такой же степени, как чистая поверхность материала защитной оболочки. При испытаниях на трекингоэрозионную стойкость в соответствии с ГОСТ 27473-87 по классу 4,5 кВ, образцы материала защитного покрытия были подвергнуты интенсивному воздействию частичными дужками, причем показали высокую стойкость. Разрушения поверхности имеют явно выраженный эрозионный характер без образования проводящего трека и минимальные масштабы. Следы эрозии на поверхности имеют форму канавки глубиной не более 0,3 мм и шириной 1,5–2,5 мм. В ходе испытаний эксплуатационные загрязнения в местах стекания потока электролита были частично смыты, при этом обнажилась гладкая чистая поверхность образца, а загрязнения сохранились только в отдельных точках и диаметром не более 100 мкм. Во время испытаний и по полученным результатам не было указаний на фиксацию поверхностных разрядов на следах эксплуатационных загрязнений. Результаты испытаний показали, что материал покрытия удовлетворяет предъявляемым нормативным требованиям независимо от отсутствия или наличия загрязнений. Сохранение высокого эксплуатационного качества поверхности ОПИ подтверждается отсутствием информации о повышенной интенсивности перекрытий загрязненных изоляторов, поскольку единственным указанием на их отличие от «чистых» изоляторов служит факт появления загрязнений, но не повышенная аварийность, связанная с перекрытиями. ГРИБНАЯ ПРИРОДА ЗАГРЯЗНЕНИЙ С целью анализа природы наблюдаемых аномальных загрязнений было выполнено микрофотографирование загрязненных участков поверхности с помощью микроскопа. Результаты микрофотографирования показаны на рис. 2 и 3. Полученные микрофотографии позволили определить некоторые детали структуры пятен. Видно, что все исследованные пятна представляют собой плотное центральное тело диаметром до 15–20 мм, вокруг которого имеются множественные тонкие нити длиной до нескольких миллиметров, отходящие от центра в радиальном направлении. Это характерная картина колонии микроскопических грибов, на которой наблюдаемые нити являются мицелием, а плотное центральное тело представляет собой многослойную структуру, также состоящую из подобных нитей. Для сравнения с рис. 2 и 3 на рис. 4 показана образцовая колония гриба Exophiala species, причем можно отметить видимое сходство образцовой колонии с пятнами загрязнений на изоляторах. Для проверки сделанного предположения о микологической природе аномальных загрязнений была выполнена микологическая экспертиза, в ходе которой из наблюдаемых на изоляторах загрязнений были выделены микроскопические грибы родов Exophiala, Aureobasidium, Torula. Данные микроорганизмы развиваются вначале на поверхности материала, а в процессе жизнедеятельности могут выделять органические кислоты, что приводит к интенсификации процесса разрушения материалов и внедрению грибов внутрь поверхности. Скорость разложения материалов этой группой организмов зависит от условий экспозиций, а их развитие может нанести ущерб материалам. На рис. 5 показаны культуры перечисленных грибов, выращенные из материала с поверхности одного из загрязненных изоляторов. Кроме того, в качестве обязательного элемента стандартной процедуры микологической экспертизы было осуществлено выращивание выделенных грибковых культур на чистых участках защитного покрытия. Полученные колонии вполне схожи с пятнами загрязнений, возникающих в процессе эксплуатации. Это доказывает, что именно перечисленные выше микроскопические грибы являются причиной повышенной загрязняемости изоляторов, размещенных в зоне повышенной влажности и умеренного климата на побережье Ладожского озера. Случаи биологической атаки на высоковольтные полимерные изоляторы отмечались ранее в Китае [1], а также в Швеции [2], где климатические условия сходны с Южной Карелией. При этом в [2] аналогичные микологические загрязнения отмечены на нижней поверхности ребер фарфоровых изоляторов. Это указывает на то, что химические свойства материала поверхности (фарфора или кремнийорганической резины) могут играть второстепенную роль в формировании грибковых загрязнений, способных извлекать питательные вещества из воды и воздуха. В этом случае основным фактором, определяющим степень поражения изоляторов в результате биологической атаки, является микрорельеф поверхности и возможность для грибов закрепляться на ней. Как отмечено выше, наряду с интенсивным загрязнением значительной части полимерных изоляторов, на обследованных подстанциях имеются изоляторы и отдельные ребра, практически свободные от загрязнений. Как видно на рис. 1, загрязненные и чистые ребра могут существовать одновременно в составе одного изолятора. Очевидно, что наличие или отсутствие загрязнений в этом случае может быть связано исключительно со свойствами отдельных ребер, но не с такими внешними факторами, как интенсивность заражения микроскопическими грибами, освещенность, увлажнение, преимущественное направление ветра и т.п. Предпосылки для различия свойств отдельных ребер в составе одного изолятора создаются в результате примененной технологии пореберной сборки, при которой для формирования одного изолятора могут быть использованы ребра, изготовленные в различных партиях, из различных материалов, в различных условиях и даже различными изготовителями. Выполненный сравнительный анализ свойств чистых и загрязненных ребер не позволил установить отличия по таким показателям, как плотность, трекингоэрозионная стойкость, гидрофобность и т.п. ПРИЧИНЫ АНОМАЛЬНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ ОПИ Можно предложить несколько вариантов объяснения наблюдаемых явлений. Первое. Причиной наличия загрязнений на одних ребрах и отсутствия на других может быть различие в микрорельефе поверхности. Фотографирование с помощью микроскопа показывает, что поверхность защитного покрытия изоляторов имеет сложную, неоднородную структуру. Это связано с недостаточно высоким качеством поверхности формы для отливки ребра, с различными нарушениями технологии изготовления, а также с неоднородностью исходного материала. Наличие выраженного микрорельефа и неоднородность структуры поверхности создают предпосылки для начала роста микроскопических грибов. На определяющее влияние микрорельефа косвенно указывает способность грибов развиваться на глазированной поверхности фарфора в местах, недоступных для смывающих потоков воды [2], а также отсутствие аналогичных загрязнений в местах, подверженных обмыву при дожде. В Южной Карелии вертикальные участки поверхности и верхние поверхности ребер на фарфоровых изоляторах, размещенных в непосредственной близости от полимерных, практически свободны от грибкового поражения. Гладкая поверхность фарфора не позволяет закрепиться пропагулам (зародышам) грибов, а высокая стойкость к воздействию химически активных реагентов (например, кислот) не позволяет грибам формировать устойчивую связь с поверхностью. В результате даже формирующиеся и растущие колонии грибов смываются при естественном увлажнении. При механической очистке на поверхности изоляторов остаются черные точки неснятых загрязнений. При более внимательном рассмотрении можно видеть, что загрязнения в этих местах погружены в материал ребра на глубину до 100 мкм. Возможность для этого возникает в том случае, если поверхность в исходном состоянии имела пористую, ноздреватую структуру, в которой укрепились занесенные ветром зародыши грибов. Возможно, однако, и то, что заглубление отдельных точек в колониях грибов возникает в результате разъедания поверхности кислотными продуктами жизнедеятельности самих грибов. На имеющихся микрофотографиях загрязненных ребер подобные точечные углубления, не заполненные грибком, не отмечены. Второе. Возможной причиной отсутствия грибов на некоторых ребрах может быть их химический состав, в том числе состав поверхностного слоя защитного покрытия. В процессе вулканизации химический состав тонкого поверхностного слоя может быть изменен – обогащен или, напротив, обеднен теми или иными высокомолекулярными соединениями. Кроме того, в составе материала в процессе изготовления могут присутствовать вещества, препятствующие росту грибов. Проверка этой возможности требует сложного химического анализа состава ребер. В качестве фактора, благоприятствующего росту грибов (микромицетов) на полимерном материале, можно указать на низкую теплопроводность кремнийорганической резины. Поверхность полимерного изолятора при прикосновении ощущается как теплая, то есть препятствует интенсивному отбору тепла от руки человека. В условиях северного климата это позволяет поверхностному слою нагреваться даже при кратковременных и слабых солнечных лучах, что обеспечивает грибам условия, благоприятные для жизнедеятельности. ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕРЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АТАКИ Определение причин отсутствия или наличия грибов на поверхности полимерного материала имеет значение главным образом для разработки мер по предотвращению и ликвидации грибкового поражения. Однако уже в настоящее время выполненная микологическая экспертиза позволяет указать некоторые направления действий. Прежде всего на стадии разработки материалов для изготовления полимерных изоляторов наружного исполнения необходимо испытывать их на грибостойкость. Для этого можно воспользоваться ГОСТ 9.048-89 ЕСЗКС [3] и ГОСТ 9.049-91 ЕСЗКС [4], в которых не только описаны стандартизированные процедуры испытаний, но и введена шестибалльная шкала количественной оценки грибостойкости. Испытания по этим ГОСТам требуют минимального набора лабораторного оборудования (термостат, микроскоп) и доступны практически любой фирме-разработчику материалов. Аналогичные испытания на грибостойкость необходимо проводить на опытных образцах изготавливаемых изоляторов. В дальнейшем, при разработке новых редакций соответствующих стандартов (например [5, 6]), испытания на грибостойкость следует ввести в качестве типовых и проводить при изменении поставок материала защитного покрытия, а также при изменении технологии изготовления покрытия. Сказанное позволяет также рекомендовать разработку специальной резины для изготовления защитного покрытия изоляторов, содержащей биологически активные, препятствующие развитию грибов присадки. Разработка и внедрение подобного материала, однако, далеко выходит за рамки настоящей работы. В эксплуатации в качестве меры борьбы с микробиологическими загрязнениями на пораженных грибами изоляторах необходимо проведение химической дезинфекции поверхности в местах интенсивного развития микроскопических грибов. Для химической обработки рекомендуется применение антисептических препаратов Rocima, катапол, катон, метатин. Важно, чтобы дезинфицирующие препараты не разрушали поверхность изоляторов (например, из-за высокого содержания ароматических углеводородов). Дезинфекция должна завершаться тщательным обмывом водой. При этом необходимо учитывать, что в результате дезинфекции будет прекращен рост колоний грибов, однако погибшие грибы останутся на поверхности, которой потребуется специальная очистка. Возможно, что они будут смыты естественными осадками, однако это нуждается в практической проверке. Проведение химической дезинфекции следует использовать как профилактическое средство на устанавливаемых не зараженных грибами изоляторах и периодически повторять не реже, чем раз в несколько лет. С целью контроля качества в практику изготовления изоляторов следует ввести микроскопический контроль поверхности защитного покрытия. Это позволит не только следить за качеством поверхности используемой формы, но и избегать последствий нарушения технологического режима в процессе изготовления, применения некачественного или нестандартного антиадгезива и т.п. ВЫВОДЫ 1. Микрофотографический и микологический анализ загрязнений на поверхности полимерных изоляторов указывает на то, что причиной повышенной загрязняемости изоляторов в районе Карельского перешейка и Южной Карелии является рост колоний микроскопических грибов Exophiala, Aureobasidium, Torula. 2. Для прекращения роста загрязнений следует использовать химическую дезинфекцию поверхности с помощью известных антисептических препаратов и последующую механическую очистку. 3. В дальнейшем для предотвращения роста микроскопических грибов на поверхности полимерных изоляторов следует разработать материал защитного покрытия, содержащий биологически активные добавки, затрудняющие развитие грибов. 4. В практику изготовления изоляторов следует ввести испытания на грибостойкость и микроскопический контроль качества поверхности защитного покрытия. ЛИТЕРАТУРА 1. Biological Contaminations of Insulators: Influence of Performance & Diagnostic Techniques to Assess The Problem. Dr. Stanislaw Gubanski, Chalmers University of Technology (Sweden). World Congress & Exhibition on Insulators, Arresters and Bushing, Hong Kong, Nov 27–30 2005. 2. Overview of Design Developments for Surge Arresters. Dr. Roger Perkins, Cooper Power Systems Technical Center (China). World Congress & Exhibition on Insulators, Arresters and Bushing, Hong Kong, Nov 27–30 2005. 3. ГОСТ 9.048-89 ЕСЗКС. Изделия технические. Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов. 4. ГОСТ 9.049-91 ЕСЗКС. Материалы полимерные и их компоненты. Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов. 5. ГОСТ Р 52082-2003 Изоляторы полимерные опорные наружной установки на напряжение 6–220 кВ. Общие технические условия. 6. Технические требования к приемочным испытаниям подвесных полимерных изоляторов 6–750 кВ. Утверждены РАО «ЕЭС России» в 2001 г.