Przebicia izolatorów napowietrznych i osłon aparaturowych spowodowane zabrudzeniem ich powierzchni

lipiec

2011

407

urządzeń sprzed wielu lat. Istnieje więc konieczność doko-nania oceny niezawodnościowej urządzeń znajdujących się obecnie w eksploatacji.

W artykule przedstawiono analizę awaryjności szyn zbior-czych, izolatorów oraz głowic kablowych zainstalowanych w sta-cjach średniego napięcia dwóch dużych zakładów energetycz-nych w kraju. Na jej podstawie wyznaczono średni czas trwa-nia odnowy: szyn zbiorczych t_a = 15,41 h, izolatorów t_a = 9,69 h, głowic kablowych t_a = 17,42 h, średni czas trwania wyłączeń awaryjnych: szyn zbiorczych t_wa = 13,48 h, izolatorów t_wa = 7,20 h, głowic kablowych t_wa = 16,08 h, a także średni czas przerwy w za-silaniu odbiorców w przypadku uszkodzenia: szyn zbiorczych t_p = 1,87 h, izolatorów t_p = 2,25 h oraz głowic kablowych t_p = 2,38 h.

Wyznaczono także średnią wartość energii elektrycznej niedostarczonej do odbiorców w wyniku awarii: szyn zbiorczych ΔA = 0,97 MW×h, izolatorów ΔA =1,45 MW×h oraz głowic kablo-wych ΔA = 1,59 MW×h.

Wyznaczono funkcje gęstości prawdopodobieństwa cza-sów odnowy, czacza-sów trwania wyłączeń awaryjnych i przerw w zasilaniu oraz wartości energii elektrycznej niedostarczonej do odbiorców, a także dokonano ich weryfikacji. Zapropono-wane rozkłady prawdopodobieństwa są rozkładami logaryt-miczno-normalnymi lub wykładniczymi. Dokonano także ana-lizy sezonowości awarii. Na jej podstawie można wyciągnąć wniosek, iż przeglądy, remonty oraz pomiary eksploatacyjne analizowanych urządzeń powinny być wykonywane w miesią-cach luty oraz listopad. Są to bowiem miesiące o najmniejszej intensywności awarii wszystkich analizowanych urządzeń. Okresem zwiększonej intensywności uszkodzeń są natomiast miesiące wiosenno – letnie.

LITERATURA

[1] Bełdowski T., Markiewicz H.: Stacje i urządzenia elektroenerge-tyczne. WNT, Warszawa 1995

[2] Chojnacki A.Ł., Analiza kosztów awaryjności urządzeń elektroener-getycznych eksploatowanych w stacjach wnętrzowych i napowietrz-nych SN/nN. Przegląd Elektrotechniczny Nr 12/2009, s.180 - 183 [3] Chojnacki A.Ł., Analiza skutków gospodarczych niedostarczenia

energii elektrycznej do odbiorców indywidualnych. Wiadomości Elektrotechniczne Nr 09/2009, s. 3-9

[4] Chojnacki A.Ł.: Analiza niezawodności stacji transformatorowo--rozdzielczych SN w warunkach eksploatacji. Archiwum Energe-tyki, tom XXXVII (2/2006), s. 147-168

[5] Dobosz M.: Wspomagana komputerowo statystyczna analiza wyni-ków badań. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2001 [6] Kowalski Z.: Niezawodność zasilania odbiorców energii

elek-trycznej. Wydawnictwa Politechniki Łódzkiej, Łódź 1992 [7] Paska J.: Niezawodność systemów elektroenergetycznych.

Ofi-cyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005 [8] Popczyk J.: Modele probabilistyczne w sieciach

elektroenerge-tycznych. WNT, Warszawa 1991

[9] Sozański J.: Niezawodność i jakość pracy systemu elektroener-getycznego. WNT, Warszawa 1990

[10] Sozański J.: Niezawodność urządzeń i układów elektroenerge-tycznych. PWN, Warszawa 1974

[11] Sozański J.: Niezawodność zasilania energią elektryczną. WNT, Warszawa 1982

[12] Stobiecki A., Własności niezawodnościowe transformatorów SN/nN eksploatowanych w krajowych sieciach rozdzielczych, Energetyka Nr 11/2009, s. 751 – 760

Krystian Leonard Chrzan

Politechnika Wrocławska

Przebicia izolatorów napowietrznych i osłon aparaturowych

spowodowane zabrudzeniem ich powierzchni

Breakdowns of outdoor insulators and housings caused

by surface contamination

Przeskok zabrudzeniowy powoduje zwarcie w sieci elektro-energetycznej i wyłączenie napięcia przez układy zabezpieczeń. Jeśli wyłączenie jest dostatecznie szybkie, łuk zwarciowy nie uszkadza izolatorów i zasilanie może zostać przywrócone przez układ samoczynnego ponownego załączania (SPZ). Wyładowania elektryczne przed przeskokiem zazwyczaj nie powodują

degrada-cji izolatorów ceramicznych (z porcelany lub szkła), mogą jednak prowadzić do utworzenia przewodzącego śladu pełznego lub erozji materiałów polimerowych. Okazuje się jednak, że nierówno-mierny rozkład napięcia oraz wyładowania elektryczne na zabru-dzonych izolatorach mogą w rzadkich, ekstremalnych wypadkach spowodować przebicia i zniszczenia izolatorów porcelanowych.

strona

408

2011

Uszkodzenia izolatorów

przepustowych na zespołach

prostownikowych elektrofiltrów

W Hucie Miedzi Legnica do zasilania elektrofiltrów stosu-je się zespoły złożone z transformatora 111 kV/380V o mocy 84 kVA oraz umieszczonego w jego kadzi prostownika. Napięcie stałe jest wyprowadzone z metalowej kadzi za pomocą porce-lanowego izolatora przepustowego 30NF/630 w położeniu pio-nowym. Wymiary izolatora DT 30NF/630 zestawiono w tabeli 1. Częste uszkodzenia izolatorów w postaci pęknięć i prze-bić porcelany spowodowane są wyładowaniami elektrycz-nymi rozwijającymi się po zabrudzonej powierzchni. Zespo-ły umieszczone są pod zadaszoną wiatą uniemożliwiającą bezpośrednie nawilgacanie izolatorów przez krople deszczowe. W celu zmniejszenia zabrudzenia, izolatory zostały obudowane metalową osłoną, do której wtłacza się powietrze pod niewielkim ciśnieniem. Niestety nawet takie środki nie okazały się skutecz-ne. Dlatego od ponad 10 lat izolatory są co dwa tygodnie czysz-czone i hydrofobizowane specjalną pastą. Mimo to uszkodzenia występują nadal. Szczególną cechą tych uszkodzeń są miejsca przebicia przy górnym kloszu. Dwa typowe przypadki pokazane są na rysunku 1. Zaczerniony, wąski kanał sugeruje cieplny cha-rakter przebicia.

Tabela 1

Wymiary izolatora DT 30NF/630, mm

Wymiar DT 30 NF/630

Długość drogi upływu 640

Średnica pnia 88

Średnica kloszy 180

Liczba kloszy 4

Wysokość h 1 522

Rys. 1. Typowe przebicia izolatorów przy górnym kloszu [1] b)

Rys. 2. Wyniki pomiarów konduktywności powierzchniowej (a) i intensywne wyładowania bezpośrednio po załączeniu napięcia (b)

a) b) 60 30 70 60 120 200 220 50 μS 60 50 30 15

Po wyłączeniu napięcia przeprowadzono pomiary konduk-tywności powierzchniowej na izolatorze za pomocą sondy pasko-wej. Wyniki pomiarów przedstawione na rysunku 2a są zaskaku-jąco wysokie, osiągają watość 200 μS. Stwierdzono, że warstwa zabrudzeniowa była bardzo cienka i miała bardzo kwaśny odczyn o pH = 2. Po załączeniu napięcia zaobserwowano bardzo inten-sywne wyładowania rozwijające się aż do przeskoku (rys. 2b).

Droga upływu izolatora DT 30 NF/630 wynosi 64 cm, a na-pięcie często podnoszone jest do 70 kV, co daje wartość jednost-kowej drogi upływu 0,91 cm/kV. Dla izolatorów napowietrznych pracujących pod napięciem stałym przyjmuje się 3 cm/kV przy słabym zabrudzeniu (I strefa zabrudzeniowa), a 7 cm/kV w stre-fie IV. Praca badanych izolatorów przepustowych o tak krótkiej drodze upływu i przy bardzo dużym zabrudzeniu jest możliwa dlatego, że pracują w warunkach wnętrzowych, gdzie nawilgaca-nie jest wielokrotnawilgaca-nie mnawilgaca-niejsze niż w warunkach napowietrznych.

Warstwa zabrudzeniowa absorbuje wodę z wilgotnego powietrza [2]. Dlatego na izolatorze przepustowym w warun-kach wnętrzowych mogą zapalać się wyładowania elektryczne. Ponieważ temperatura górnej części izolatora jest wyższa, war-stwa zabrudzeniowa w tej części izolatora szybciej wysycha, co powoduje powstanie strefy suchej. Powstawanie strefy suchej w górnej części izolatora wynika również z dwukrotnie mniej-szej średnicy porcelany przy elektrodzie wysokonapięciowej od średnicy pnia. Dzięki temu gęstość prądu jest tam większa, a wysychanie szybsze. Jeśli w niższej części izolatora warstwa jest dostatecznie wilgotna, to napięcie nad strefą suchą jest tak duże, że powoduje palenie się w tym obszarze wyładowań elek-trycznych.

Kadź zespołu prostownikowego i wnętrze izolatora prze-pustowego jest wypełnione olejem transformatorowym. Jednak na skutek wyładowań niezupełnych powstają gazowe produkty rozkładu oleju. Dlatego górna część izolatora może być wypeł-niona mieszaniną różnych gazów. W tym obszarze powstaje wy-sokie radialne natężenie pola elektrycznego, ponieważ wilgotna warstwa zabrudzeniowa przenosi potencjał ziemi do górnej czę-ści izolatora. Może to spowodować zapłon wyładowań niezupeł-nych wewnątrz izolatora. Działanie wysokiego radialnego pola elektrycznego, intensywnych wyładowań niezupełnych i tempe-ratury mogą spowodować przebicie porcelanowej osłony.

Przebicie porcelanowej

osłony ogranicznika 110 kV

W warunkach zabrudzeniowych wzrasta temperatura wa-rystorów ograniczników przepięć. Dotyczy to zwłaszcza wy-sokonapięciowych ograniczników wieloczłonowych. Ponadto

lipiec

2011

409

Przebicia izolatorów

z betonu polimerowego

Beton polimerowy (polymer concrete PC) jest materiałem kompozytowym, w którym polimer stanowi lepiszcze spajające składniki nieorganiczne. Zawartość tanich napełniaczy mineral-nych może być bardzo duża, 80-95% wagowych [5]. Części me-talowe służące do mocowania izolatora mogą być umieszczane w betonie podczas jego odlewania. Jest to znacznie tańsze niż okuwanie porcelany. Bardzo ważną własnością tego materiału jest odporność na udary mechaniczne, jest on więc znacznie bar-dziej odporny na akty wandalizmu niż porcelana. Materiał ulega erozji, ale nie tworzy się ślad pełzny – przewodząca ścieżka, tak jak to ma miejsce w przypadku większości tworzyw sztucznych.

W roku 1999 zamontowano 20 izolatorów PC wyproduko-wanych w IEL OW na liniach 20 kV w okolicach Głogowa (rys. 4). Linie 20 kV położone są w terenie I strefy zabrudzeniowej i izo-latory nie wykazują żadnych oznak degradacji po 11 latach eks-ploatacji.

Równocześnie łańcuch zmontowany z takich samych trzech izolatorów został powieszony na stacji prób w Hucie Mie-dzi Głogów pod napięciem 75 kV. Jednostkowa droga upływu izolatorów w linii napowietrznej wynosi 3,8 cm/kV napięcia fa-zowego (2,2 cm/kV napięcia międzyfafa-zowego), a na stacji prób odpowiednio 1,7 cm/kV napięcia probierczego i 1 cm/kV napię-cia międzyfazowego. Próby łańcuchów złożonych z trzech lub czterech izolatorów o długości drogi upływu 45 lub 52 cm prze-prowadzano do września 2010. Wyniki tych długoletnich badań zestawiono w tabeli 2.

Rys. 4. Izolator z betonu polimerowego (lewy) i izolator porcelanowy po 11 latach pracy na linii 20 kV

Rys. 3. Zniszczona osłona ogranicznika przepięć (a) oraz kanał przebicia w porcelanie (b) [4]

a) b)

Tabela 2

Wyniki badań izolatorów na stacji prób w Hucie Miedzi Głogów

Łańcuch izolatorów o długości drogi upływu L (cm) Data identyfikacji zdarzenia Czas pracy

(m-ce) Opis zdarzenia 3 izolatory,

L = 3 × 45 = 135 27.09.2001 24 przebity klosz 3 izolatory

L = 3 × 45 = 135 23.08.2006 4 przeskok

3 izolatory

L = 3 × 45 = 135 17.10.2007 18 dolny izolator przebity 4 izolatory

L = 4 × 45 = 180 4.04.2007 12 dolny izolator przebity 3 izolatory

L = 3 × 52 = 156 29.05.2009 24 o głębokości 3 mmprzeskok, erozja

Dwukrotnie, w sierpniu 2006 r. i maju 2009 r. zarejestrowa-no przeskok na izolatorach o długości drogi upływu 135 i 156 cm (jednostkowa droga upływu 1,2 cm/kV napięcia międzyfazowe-go). Podkreślić należy, że w okresie 11 lat nie było przeskoku na silikonowych izolatorach prętowych bez kloszy o drodze upływu 105 cm i średnicy 3 cm. Przeskoki nie wystąpiły również na iden-tycznych porcelanowych izolatorach prętowych testowanych w okresie 2005-2010.

Trzy izolatory zostały uszkodzone przez przebicie klosza lub przebicie dielektryka do gwintowanej wkładki służącej do łą-czenia izolatorów.

Na rysunku 5 pokazano zdjęcia rentgenowskie izolatorów z kanałem przebicia widocznym w zaznaczonym kwadracie. Ba-dania te wykazują, że izolatory z betonu polimerowego mogą być stosowane w I strefie zabrudzeniowej na liniach średnich napięć, jednak ich stosowanie do linii wysokich napięć jest ryzykowne nawet w I strefie zabrudzeniowej. Badania wykonane w Polsce potwierdzają wyniki testów innych prób polowych wykonanych w USA, Meksku i Wielkiej Brytanii [5].

Bardzo ciekawe są również wyniki pomiaru prądu upły-wu wykonane w listopadzie i grudniu 2007 na łańcuchu trzech izolatorów z betonu polimerowego, na łańcuchu izolatorów z żywicy epoksydowej o podobnej drodze upływu oraz na porcelanowym izolatorze prętowym o drodze upływu 105 cm. wewnątrz osłony o średnicy znacznie większej od średnicy

warystorów mogą zapalić się bardzo intensywne wyładowania niezupełne, powodujące degradację warystorów. Testowaniu odporności ograniczników na działanie wewnętrznych wyła-dowań niezupełnych mają służyć proponowane, specjalne próby polegające na wymuszeniu znacznej różnicy potencja-łów pomiędzy kolumną warystorów a zewnętrzną warstwą za-brudzeniową [3].

Podczas testowania ogranicznika 110 kV przebita została porcelanowa osłona o grubości 3 cm (rys. 3). Uszkodzenie to mogło być spowodowane wewnętrzną wadą porcelany, ponie-waż tego typu uszkodzenia nie wystąpiły przy wielokrotnym te-stowaniu ograniczników 110 kV innego producenta.

strona

410

2011

w tym samym dniu na izolatorze prętowym była dwukrotnie mniejsza (rys. 6). Jednakże na początku cyklu pomiarowego zarejestrowano 18 mA na izolatorze prętowym i zaledwie 3 mA na izolatorze PC.

powolne starzenie izolacji papierowo-olejowej lub przepięcia. Należy podkreślić, że w 26% przypadków przyczyna uszkodzeń nie jest znana [7].

Wydaje się, że niedocenianym czynnikiem starzenia izolacji papierowo-olejowej izolatorów przepustowych i przekładników jest nierównomierny rozkład napięcia na zabrudzonej powierzch-ni osłony. Szczególpowierzch-nie powierzch-niebezpiecznym jest uformowapowierzch-nie się skoncentrowanych stref suchych. Zjawisko to zostało wielokrot-nie wykryte na izolatorach porcelanowych oraz kompozytowych, ostatnio również w Polsce [10].

LITERATURA

[1] Chrzan K.L., Turek A., Sieczko L., Uszkodzenia izolato-rów przepustowych na zespołach prostownikowych elek-trofiltrów. Konferencja Inżynieria Wysokich Napięć, Po-znań-Będlewo, Przegląd Elektrotechniczny 2010, nr 11b, s. 193-197

[2] Chrzan K., Kowalak T., Hygroscopic properties of pollutants on HV insulators. IEEE Trans. on Electrical Insulation 1989, Vol. 24, No. 1, pp. 107-112

[3] Chrzan K., Koehler W., Feser K., Internal arcing test on polluted high voltage surge arresters. 9 th Int. Symposium on High Vol-tage Engineering, Graz 1995, paper 3220

[4] Chrzan K.L., Internal partial discharges test for metal oxi-de surge arresters. Technicna Elektrodinamika 2002, part 8, pp. 93-96

[5] Chrzan K.L., Skoczylas M., Performance of polymer concrete insulators under light pollution. 15th Int. Symposium on HV En-gineering, Ljubljana 2007, paper T4-114

[6] Lokhain A.K., Morozova T.I., Shneider G.Y., Sokolov V.V., Chornogodsky V.M., Internal insulation failure mechanism of HV equipment under service conditions. CIGRE Session 2002, paper 15-201

[7] Poljak M., Bojanic B, Method for the reduction of in-service instrument transformer explosions. European Transactions on Electrical Power ETEP, Vol. 20, 2010, pp. 927-937

[8] Schneider H.M., Hall J.F., Nellis C.L., Low S.S., Lorden D.J., Rain and contamination tests on HVDC wall bushings with and without RTV coatings. IEEE Transactions on Power Delivery 1991, Vol. 6, No. 3, pp. 1289-1300

[9] Shinoda A., Okada H., Nakagami M., Suzuki Y., Ito S., Akizuki M., Development of high resistance semi-conducting glaze insula-tors. Annual Power Meeting of IEEE Power Engineering Socie-ty, Toronto 2005, paper 0-7803-9156-X

[10] Chrzan K.L., Lightning impulse performance of polluted me-dium voltage insulators. 16th _{Int. Symposium on High Voltage}

Engineering, Cape Town 2009, paper E-29 Rys. 6. Prąd upływu na izolatorze z betonu polimerowego

i na izolatorze prętowym z porcelany w listopadzie i grudniu 2007 0 5 10 15 20 25 30 35 Dni w listopadzie/grudniu 2007 Prąd upływu (mA peak ) 35 30 25 20 15 10 5 0 Porcelanowy pręt Beton polimerowy

Przypadki uszkodzeń

opisane w literaturze

W literaturze opisane są liczne przypadki przebić konden-satorowych izolatorów przepustowych [6] oraz przekładników napięciowych i prądowych pracujących pod napięciem równym lub większym od 220 kV [7]. Przed 20 laty znane stały się przebi-cia izolatorów przepustowych w śprzebi-cianach rozdzielni 500 kV DC. Przy niesprzyjającym kierunku wiatru część izolatora jest chro-niona przed opadem przez ścianę rozdzielni.

Nierównomierne nawilgacanie powodowało przeskoki, a nawet przebicia porcelany [8]. Do mniej znanych i ważnych można zaliczyć degradację półprzewodzącego szkliwa, a na-wet przebicie tych specjalnych izolatorów w warunkach inten-sywnego zabrudzenia [9]. Jako przyczynę przebicia izolatorów przepustowych i przekładników podaje się wady produkcyjne,

Rys. 5. Zdjęcia rentgenowskie izolatorów z widocznymi metalowymi wkładkami i kanałem przebicia