Когда команда проекта садится за определение изоляционных цепочек для новой-линии высокого напряжения, выбор между стеклом и фарфором, как правило, решается быстро, часто в зависимости от привычек, региональных соглашений или того, что менеджер по закупкам получил на последнем задании. Это не обязательно неправильно. Оба материала используются уже более столетия и продолжают надежно работать в широком диапазоне сред передачи. Проблема в том, что выбор одного из них по умолчанию без понимания реальных инженерных компромиссов-между ними приводит к перерасходу средств, неожиданным затратам на техническое обслуживание и иногда к преждевременной замене оборудования, которое должно было прослужить десятилетия дольше.
В этом руководстве проводится сравнение с точки зрения того, кто действительно принимает это решение, с учетом материалов, механических и электрических характеристик, поведения при неисправности, долгосрочного-старения и практических условий, которые действительно склоняют чашу весов в ту или иную сторону.
Башня линии электропередачи с подвесным изолятором Flas
Что на самом деле представляет собой каждый материал
Фарфоровые изоляторы изготавливаются из смеси каолина, полевого шпата и кварца, обжигаются при контролируемых высоких температурах до тех пор, пока материал не уплотнится до твердого гладкого керамического тела. В результате получается механически прочный продукт с прочностью на сжатие около 70 000 кг/см², что значительно выше, чем у стекла. Фарфор очень хорошо выдерживает сжимающие нагрузки, что объясняет, почему он остается стандартом для изоляторов станционных столбов, изоляторов линейных столбов и аналогичных конструкций, в которых преобладают нисходящие или боковые сжимающие силы.
Изоляторы из закаленного стекла проходят другой производственный процесс. Стеклянный диск нагревается, а затем быстро охлаждается в контролируемой закалочной ванне, что вызывает сжимающее напряжение во внешнем поверхностном слое и растягивающее напряжение в сердцевине. Этот процесс закалки придает стеклу диэлектрическую прочность около 140 кВ/см, что значительно выше, чем у фарфора (60 кВ/см). Полученный диск хорошо подходит для подвесных цепей с колпачками-и-штырями, используемых на линиях электропередачи высокого-и сверхвысокого-высокого-напряжения, где конструкция определяется растягивающей нагрузкой, а не сжимающей.
Механическая прочность: внимательно читаем цифры
На первый взгляд механические данные кажутся противоречивыми. Фарфор имеет гораздо более высокую прочность на сжатие. Закаленное стекло имеет гораздо более высокую прочность на разрыв: около 35 000 кг/см² по сравнению с 500 кг/см² фарфора. В частности, для подвесных изоляторов важны характеристики растяжения, поскольку диск висит на веревке и воспринимает вес и ветровую нагрузку проводника под ним за счет натяжения. Glass выигрывает в этом сравнении с большим отрывом.
Чего цифры не отражают, так это изменчивости. Исследования изоляторов, выведенных из эксплуатации через 25–30 лет, показали, что остаточная механическая прочность фарфоровых изделий значительно различается от одного производителя к другому. Некоторые показали лишь незначительное ухудшение исходных номинальных значений. Другие продемонстрировали существенное снижение. Стеклянные изоляторы, полученные в тех же исследованиях, показали гораздо меньший разброс номинальной прочности на разрыв, оставаясь близкими к исходным расчетным значениям даже после десятилетий воздействия на открытом воздухе. Для менеджеров по закупкам, работающих с несколькими поставщиками в течение длительного периода времени проекта, такая последовательность имеет реальную ценность.
Обнаружение неисправностей: аргумент, который часто решает дело
Именно здесь стеклянные изоляторы имеют свое наиболее убедительное преимущество, и это преимущество сразу понимают инженеры в этой области.
Когда диск из закаленного стекла выходит из строя из-за электрического прокола, механической перегрузки или термического напряжения, диск полностью разрушается. Стеклянная оболочка отпадает, оставляя только металлический колпачок и штифт, удерживающий веревку вместе. Поскольку закаленное стекло сохраняет остаточное внутреннее напряжение от процесса закалки, любая трещина быстро распространяется по всему диску. Нить не падает. Колпачок и штифт сохраняют достаточную остаточную прочность, чтобы удерживать леску. Но недостающий диск хорошо виден с земли или с вертолета во время обычного патрулирования.
Фарфор ведет себя по-другому. Неисправный фарфоровый диск снаружи может выглядеть совершенно неповрежденным. Отказ происходит внутри, через корпус диска, без каких-либо внешних признаков нарушения изоляции. Единственный надежный способ обнаружить работающий фарфоровый изолятор с нулевым значением- – это провести его электрическую проверку, либо путем измерения сопротивления изоляции с помощью измерителя, либо с помощью прибора для определения линейного напряжения под напряжением-, когда цепочка находится под напряжением. Оба метода требуют обученного персонала, работающего вблизи колонны, что означает повышенный риск, специальное оборудование и значительные затраты на цикл проверки.
Для линий электропередачи, пересекающих отдаленную местность, куда инспекционные бригады приезжают нечасто и где неисправная линия может оставаться незамеченной в течение нескольких месяцев, эта разница имеет огромное значение. Линии в горных районах, пустынных коридорах или на переправах через реки, где доступ затруднен, хорошо-подходят для стекла именно потому, что неисправные диски идентифицируют себя без какого-либо активного тестирования.
Старение и долгосрочная-эффективность
Оба материала стареют, но стареют по-разному, и понимание этой разницы существенно влияет на расчет стоимости жизненного цикла.
Фарфор подвергается процессу, называемому медленным ростом трещин, при котором микро-трещины в керамическом теле постепенно расширяются под постоянными механическими и термическими нагрузками. С течением десятилетий это может привести к постепенному снижению механической прочности, которое невозможно обнаружить снаружи диска. Электрическая прочность также может снизиться, поскольку фарфоровый корпус впитывает следы влаги через микро-поры, особенно в старых изоляторах, где процесс обжига контролировался хуже, чем того требуют современные стандарты. Исследования с использованием сканирующей электронной микроскопии состаренного фарфора подтвердили значительные микроструктурные различия между производителями, при этом некоторые состаренные образцы демонстрируют измеримую деградацию как механических, так и электрических параметров.
Стеклянные изоляторы не имеют такого же механизма старения. Поскольку закаленное стекло не-непористое, поглощение влаги телом практически равно нулю. Механические и электрические свойства закаленного стекла остаются стабильными с течением времени, в отличие от фарфора. Основной проблемой при длительном использовании стекла является накопление поверхностных загрязнений, особенно в промышленных или прибрежных зонах, где переносимые по воздуху загрязнения оседают на поверхности диска и создают пути утечки во влажную погоду.
Характеристики загрязнения и окружающая среда
В средах со слабым и умеренным загрязнением различия между стеклом и фарфором в показателях загрязнения незначительны. Оба достаточно хорошо отводят воду и оба накапливают поверхностные отложения, которые смываются во время дождя.
В сильно загрязненной среде стекло представляет собой особый недостаток. Гладкая, плоская поверхность стеклянного диска позволяет влаге равномерно конденсироваться и оставаться в контакте с накопившимися загрязнениями, создавая более непрерывную проводящую пленку, чем более шероховатая и сложная поверхность фарфорового диска. Профиль поверхности фарфора с его нижними юбками и ребрами имеет тенденцию задерживать дождевую воду таким образом, что это может разрушить проводящую пленку и уменьшить ток утечки.
На самом деле здесь заслуживает упоминания третий материал. Композитные полимерные изоляторы, построенные вокруг стержня из стекловолокна с кожухом из силиконовой резины, превосходят как стеклянные, так и фарфоровые изоляторы в сильно загрязненных условиях, поскольку силиконовая резина по своей природе гидрофобна. Вода на поверхности силиконовой резины образует шарики, а не сплошную пленку, что предотвращает образование проводящего поверхностного слоя, вызывающего перекрытие загрязнений. Для линий, проходящих через прибрежные промышленные зоны, сельскохозяйственные районы с интенсивным использованием пестицидов или вблизи цементных заводов и химических предприятий, полимерная технология закрывает пробел, который полностью не устраняют ни стекло, ни фарфор.Молниеотводы полимерныеиспользуя ту же технологию изготовления корпусов из силиконовой резины, они следуют тому же принципу, поэтому они в значительной степени заменили старые устройства защиты от перенапряжений с фарфоровыми-корпусами в средах, где поверхностное загрязнение является постоянной проблемой.
Полимерный молниеотвод ПОБЕДА
Как на самом деле выглядит решение об отборе
Следующие условия указывают настеклянные подвесные изоляторыкак лучший выбор:
Линии напряжением 220 кВ и выше, особенно напряжением 500 кВ и выше, где более высокая диэлектрическая прочность закаленного стекла обеспечивает значительный дополнительный запас в условиях временного перенапряжения. Удаленные или труднодоступные-пролеты-доступа, где режим самоотчета-о неисправности стекла снижает трудозатраты на проверку в течение всего срока службы линии. Проекты, в которых на разных этапах закупок будут задействованы несколько поставщиков, где более жесткое распределение механической прочности стекла обеспечивает более стабильные характеристики, чем фарфор, полученный от смешанного производства. Программы замены существующих стеклянных струн, где механическая взаимозаменяемость требует соответствия исходному материалу.
Фарфор имеет больше смысла в следующих ситуациях: приложения, связанные с сжимающей нагрузкой, включая опорные изоляторы и станционное оборудование, где преимущество фарфора в прочности на сжатие имеет значение. Уровни распределительного напряжения, при которых преимущество диэлектрической прочности стекла менее важно для расчетного запаса. Линии в зонах с умеренным загрязнением и графиками регулярных проверок, где затраты на проверку, связанные с обнаружением фарфора с нулевым-значением, можно контролировать в рамках обычного бюджета на техническое обслуживание. Проекты, в которых существующая цепочка поставок, протоколы испытаний и рабочая сила по техническому обслуживанию построены на фарфоре и где смена материалов приведет к затратам на переход.
Стеклянные подвесные изоляторы на уровнях напряжения передачи представляют собой одно из немногих решений о закупках, когда выбор материала оказывает прямое и измеримое влияние на затраты на техническое обслуживание в течение 40-летнего срока службы актива. Этого достаточно долго, чтобы несколько процентных пунктов дополнительных затрат на инспекции в год аккумулировались в значительную статью бюджета.
Совместимость оборудования
Один практический момент, который иногда упускают из виду при выборе материала, заключается в том, что в стеклянных и фарфоровых колпачковых-и-дисках подвески со штырями обычно используются одинаковые размеры шаровых-и-гнездовых муфт, стандартизированные в соответствии со стандартом IEC 60305. Это означает, что струны в принципе могут сочетать стеклянные и фарфоровые диски в одной струне, а сменные диски из любого материала могут заменять другие, если механический класс соответствует. Такая взаимозаменяемость упрощает управление запасными частями и облегчает переключение между материалами при замене без вывода из эксплуатации функционального оборудования.
Металлические колпачки и штифты, используемые как в стеклянных, так и в фарфоровых сборках, изготовлены из ковкого или ковкого чугуна, оцинкованного горячим-погружением, и их параметры выбираются независимо от материала диска. Покупатели, приобретающие комплектные струны, должны подтвердить, что технические характеристики оборудования, особенно диаметр шарика и размеры гнезда, соответствуют стандартам IEC, а не запатентованным размерам, которые будут ограничивать возможности поиска в будущем.
Краткое содержание
Стеклянные и фарфоровые подвесные изоляторы — это проверенные, проверенные технологии, имеющие успешный опыт применения в системах передачи электроэнергии по всему миру. Выбор между ними – это не вопрос того, какой материал лучше в абсолютном выражении. Вопрос в том, какой материал соответствует конкретной рабочей среде, режиму проверки, уровню напряжения и ограничениям по закупкам данного проекта.
Стекло обеспечивает более высокую диэлектрическую прочность, превосходную устойчивость к растяжению, прозрачное обнаружение дефектов и более стабильное-старение в течение длительного времени. Фарфор обеспечивает лучшую прочность на сжатие, меньшую чувствительность к влаге на поверхности диска в чистой среде, а также более глубокую глобальную производственную базу, которая может поддерживать очень большие объемы закупок по конкурентоспособным ценам.
Для большинства современных-проектов передачи высокого напряжения, особенно 220 кВ и выше, и особенно на линиях, где доступ для проверки ограничен, стекло является технически более надежным выбором. Для распределительной инфраструктуры и применения сжимающих нагрузок фарфор остается разумным и-эффективным решением. Инженеры и группы по закупкам, которые понимают оба материала, а не используют по умолчанию один, в конечном итоге получают инфраструктуру передачи, которая работает так, как задумано, в течение всего срока службы без неприятных сюрпризов.