На сегодняшний день самым современным видом внутренней изоляции для высоковольтных вводов является твердая RIP-изоляция (пропитанная смолой бумажная изоляция). О преимуществах данного вида изоляции перед другими видами изоляции известно давно, поэтому более подробно на этом вопросе останавливаться смысла нет. Однако, даже RIP - изоляция, имея значительные преимущества перед другими видами изоляции высоковольтных вводов, не лишена недостатков. Основной из них – возможность увлажнения в процессе длительного хранения или неудовлетворительных условий эксплуатации.Необходимо отметить, что увлажнение изоляции – одна из достаточно распространённых причин повреждения вводов в эксплуатации. Увлажнение твердой изоляции приводит к уменьшению срока службы ввода и является одной из причин, связанной с повреждаемостью вводов. Пример повреждения ввода из-за увлажнения нижней части приведен на рис. 1.
Поэтому для транспортировки и хранения вводов приходится использовать влагонепроницаемую упаковку. Однако, после поступления на склад потребитель обязан провести приемочные испытания, после которых ввод необходимо опять тщательно упаковать для защиты от влаги. Последнее условие выполняется далеко не всегда, а правильнее будет сказать, что зачастую не выполняется вовсе. А как быть с вводами, которые приобретаются в резерв и подразумевают длительное хранение? Ответ на этот вопрос лежит на поверхности – нужно не защищать ввод во время хранения, а исключить бумагу (целлюлозу) из материала изоляции.Как показали проведённые исследования, RIP -изоляция при всех своих преимуществах перед тра-диционными видами изоляции, к сожалению, все-же подвержена воздействию влаги, и даже термовакуумная сушка, последующая пропитка эпоксидным компаундом и лакировка не устраняет полностью гигроскопичность бумаги.
Молекулы компонентов компаунда имеют большие размеры по сравнению с размерами молекул воды и не в состоянии создать полную не-проницаемость для влаги, так как в наиболее мелкие поры бумаги компаунд проникнуть не в состоянии, а молекулы воды могут проникнуть. Для подтверждения этого факта мы провели большую исследовательскую работу по моделированию и изучению процесса увлажнения RIP-изоляции в сравнении с другим типом изоляции, а именно RIN -изоляцией (Resin Impregnated Nonwoven - пропитанный смолой нетканый материал).Как известно, зависимость тангенса угла диэлектрических потерь изоляции (tgδ) от частоты, особенно при частотах ниже 50 Гц, имеет повышенную чувствительность к увлажнению и старению.
На рис. 2 показаны зависимости tgδ RIP-изоляции для сухого и увлажнённого вводов на частотах от 15 до 400 Гц. Хотя разница уже видна на промышленной частоте, на низких частотах разница проявляется еще сильнее и при сильном увлажнении изоляции проводит к тому, что кривая зависимости принципиально меняет свою форму.В рамках данной работы проводились измере-ния характеристик изоляций разных вводов. Среди них были новые вводы с RIP-изоляцией, вводы, поступившие из эксплуатации, вводы, находившиеся на хранении в различных условиях. Также были проведены измерения диэлектрических характеристик вводов с RIN-изоляцией.
Был проведен опыт, который однозначно под-твердил увлажнение RIP-изоляции и неподверженность увлажнению RIN-изоляции в одинаковых условиях. На бак, предназначенный для испытаний на влагонепроницаемость внешней полимерной изоляции, были установлены два ввода 110 кВ, один с RIP, другой с RIN-изоляцией (рис. 3). Уровень жидкости в баке (раствор воды с NaCl) был выставлен таким образом, чтобы изоляции вводов полностью находились над раствором и не касались воды. После чего был включен подогрев и раствор был доведен до кипения. Испытание продолжалось 48 часов.После испытаний вводы были демонтированы с испытательного бака и охлаждены до комнатной температуры. После этого было проведено измерение No 3 (383) 202015НАУКА И ТЕХНИКАчастотной характеристики изоляции данных вводов, причем изоляция ввода с RIP-изоляцией была перед измерением вытерта ветошью, смоченной спиртом. На рис. 4 приведены характеристики данных вводов до и после испытания. При рассмотрении кривых No2 и No4 (состояние RIP-изоляции до и после кипячения) становится очевидно, что изоляция ввода сильно увлажнилась, о чем свидетельствует сильное увеличение tgδ во всем, представленном частотном диапазоне. Измерения на данном вводе были проведены повторно через несколько дней. Показания не снизились, что могло бы говорить о частичном “подсыхании” изоляции, а наоборот, тангенс угла диэлектрических потерь изоляции вырос еще сильнее, что свидетельствует о глубоком проникновении влаги в толщу изоляции ввода.
В то же время состояние ввода с RIN-изоляцией осталось неизменным, кривые No1 и No3 на рис. 4 абсолютно совпадают, что красноречиво подтверждает отсутствие какого-либо влияния влаги на состояние RIN-изоляции. Кроме того, после окончания испытаний с целью определения расположения обкладок изоляционного остова было проведено сравнительное исследование RIP и RIN – изоляции при большом увеличении. Как видно на рис. 5, обкладки изоляционного остова RIP повторяют структуру поверхности крепированной бумаги и их расположение нельзя назвать идеальным. Обкладки изоляционного остова с RIN-изоляцией расположены идеально концентрично и на одинаковом расстоянии друг от друга. Такое расположение обкладок позволяет ей выдерживать большие испытательные напряжения и в конечном счете позволяет увеличить срок службы ввода.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВВОДОВ С RIN-ИЗОЛЯЦИЕЙ
Процесс изготовления RIN-изоляции (в зарубежной литературе встречается как "RIS-изоляция") идентичен RIP-технологии, однако свойства материала позволяют исключить длительную, трудоемкую и энергозатратную операцию термовакуумной сушки.Намотка изоляции осуществляется на специаль-ном оборудовании с автоматическим контролем натяжения, при этом вместо бумаги используется специ-альное нетканое полотно. Так как нетканый материал не содержит целлюлозы и не подвержен увлажнению, предварительная его сушка не производится, что также уменьшает трудоемкость и время изготовления по сравнению с RIP - изоляцией. После намотки изоляция помещается в специальную камеру для пропитки под вакуумом, где пропитывается эпоксидной смолой с обязательным контролем состава, вязкости и других параметров для каждой партии . После пропитки и полимеризации изоляция подвергается нагреву в соответствии с определенным температурным режимом для снятия остаточных механических напряжений.
Тщательный контроль за соблюдением технологических режимов в процессе сушки, пропитки, а также во время цикла отверждения обеспечивают постоянно высокое качество получаемых изоляционных остовов в отношении уровня частичных разрядов и механических характеристик. После отверждения изоляционному остову придается определённая форма путем токарной обработки. Дальнейшая сборка ввода производится аналогично вводам с RIP-изоляцией.По данной технологии были изготовлены и прошли полный цикл приёмочных и специальных испытаний вводы от 35 кВ до 500 кВ в общем количестве более 20 шт. (рис. 8). Все вводы были подвергнуты приёмочным испытаниям в соответствии с IEC 60137:2017 (международный стандарт на вводы) и ГОСТ Р 55187-2012, после окончания которых некото-рые вводы были подвергнуты таким видам испытаний, как сейсмические, климатические, трекингэррозионной стойкости и другим специальным испытаниям для подтверждения возможности эксплуатации в самых неблагоприятных условиях окружающей среды. По со-стоянию на данный момент вся номенклатура вводов с RIN-изоляцией получила положительное заключение аттестационной комиссии ПАО «Россети» и рекомен-дована к применению в энергетических сетях России. Первые партии вводов включаются в план серийного производства и отгружаются заказчикам
ПРЕИМУЩЕСТВА RIN-ИЗОЛЯЦИИ
Основным преимуществом RIN-изоляции является ее гидрофобность, т.е. неспособность нетканого материала смачиваться водой. Исключение бумаги из конструкции ввода исключает способность изоляционного остова поглощать влагу, что в свою очередь, делает коэффициент диэлектрических потерь материала абсолютно стабильным и не зависящим от воз-действия очень высокой влажности.
Это обеспечивает простоту транспортирования, отсутствие особых требований при транспортировании и хранении, а также надёжность работы в период эксплуатации. Кроме того, полное исключение влаги из изоляции, позволило нам разработать, изготовить и испытать ввод 220 кВ, предназначенный для эксплуатации нижней части в жидком азоте. Это по-настоящему уникальный ввод, аналога которому никто в мире еще не смог сделать. Вводы с RIN-изоляцией характеризуются очень низким коэффициентом диэлектрических потерь tanδ 0,20-0,25%, что значительно ниже требований, ука-занных в стандартах на высоковольтные вводы IEC 60137:2017 и ГОСТ Р 55187-2012 и нормируемых ве-личиной 0,7%. Не оставляющий пустот процесс пропитки за счет химической реакции синтетической нити и эпоксидной смолы позволяет обеспечить отсутствие частичных разрядов внутри изоляции вплоть до двух-кратного наибольшего рабочего напряжения. RIN-изоляция обладает высокой теплопроводностью и низким коэффициентом теплового расширения, что ведёт к уменьшению напряжения между механически соединёнными элементами ввода. Это важно для эксплуатации при предельных температурах, как высоких, так и низких.
ПЕРСПЕКТИВЫ ВВОДОВ С RIN-ИЗОЛЯЦИЕЙ
Как выяснилось в процессе проведения опытных работ, в изоляции ввода можно заменить не только бумагу, но и эпоксидный компаунд. В RIP-изоляции бумага в том числе выполняет функцию наполнителя для эпоксидного компаунда. Если заменить бумагу на сетку из полимерных синтетических волокон, то можно эпоксидный компаунд заменить на наполненную эпоксидную смолу, т.е. жидкость с намного более высокой вязкостью, чем у традиционных жидкостей для пропитки, таких как масло или чистая смола. Применение наполненных эпоксидных смол открывает путь к крупным техническим усовершенствованиям технологии производства высоковольтных вводов. При использовании наполненных эпоксидных смол изоляционный остов может отливаться прямо в своём конечном виде и отверждаться в результате быстро протекающего процесса. Сушку изоляции перед пропиткой можно полностью исключить ввиду того, что волокна по сравнению с бумагой практически не впитывают влагу, также можно исключить токарную обработку изоляции после полимеризации, что резко сократит время изготовления высоковольтного ввода. Указанные выше особенности дают в результате необычайно короткое время изготовления высоковольтного ввода.В настоящее время проводятся опытные работы по изготовлению и испытаниям опытных образцов вводов с применением принципиально новой технологии (рис. 11). В результате этих работ изготовлены несколько вводов 35 кВ и 110 кВ, которые по состоянию на сегодняшний день проходят необходимые испытания (рис. 12).
Новый вид изоляции обладает рядом преиму-ществ по сравнению с классической RIP или RIN-технологией. Наполненные смолы характеризуются намного более высокой теплопроводностью по сравнению с чистыми смолами. Это объясняется тем, что теплопроводность неорганических наполнителей, которые внедряются в эпоксидную смолу, во много раз выше, чем у основного эпоксидного материала. Таким образом, вводы с данным типом изоляции лучше отводят тепло и обладают более высоким классом термической стойкости. Тепловое расширение наполненных эпоксидных смол значительно меньше, чем чистых. Применение таких смол во вводе, в котором используются металлические детали с меньшим коэффициентом теплового расширения, значительно предпочтительнее т.к. приводит к меньшим механическим напряжениям в месте их соприкосновения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Пропитанный смолой нетканый материал (RIN) является первой технологией полностью сухих вводов с емкостным распределением напряжения, в которой может использоваться наполненная эпоксидная смола в качества пропиточного материала внутренней изоляции. Это становится возможным благодаря тому, что в качестве основы для размещения конденсаторных обкладок может использоваться ткань из поли-мерных волокон.RIN-изоляция не поглощает воду, а её диэлектрические потери не зависят от долгого воздействия очень высокой влажности, что подтверждено проведёнными заводскими испытаниями. Это обеспечивает простоту транспортировки, отсутствие особых требо-ваний к длительному хранению и надёжность работы в период эксплуатации. С применением наполненных смол в RIN-технологии производственный процесс можно радикально сократить по сравнению с другой современной RIP - технологией. Для полного изучения возможности примене-ния новой технологии потребуются дальнейшие ис-следования и разработки, но уже на данном этапе ясно, что по сравнению с RIP-технологией новая технология имеет значительные преимущества. Дальнейшие испытания должны подтвердить возможность ее применения для всех типов высоковольтных вводов всех классов напряжения.
По материалам журнала "Кабели и провода", No 3 (383) 2020
Подпишитесь на рассылку
