Определение механического состояния опорно-стержневых изоляторов под рабочим напряжением
В.И. Емельянов, И. Г. Тукачев НПО «Логотех»

Основной причиной повреждения фарфоровых опорно-стержневых изоляторов является снижение механической прочности, происходящее в процессе эксплуатации под воздействием комплекса природных факторов.
Одним из методов диагностики определения механического состояния опорно-стержневых изоляторов (далее изоляторы) является контроль жесткости (механической).

Рассмотрим физические основы данного метода.

Для облегчения понимания процессов происходящих в изоляторе, как механической системе, вспомним несколько определений, которыми будем пользоваться при дальнейшем рассмотрении задачи:
— напряжение (механическое) это внутренняя сила взаимодействия, приходящаяся на единицу площади, в какой либо точке механической системы;
— предел прочности (иногда называется временным сопротивлением) это величина напряжения, при достижении которой происходит разрушение материала;
— предельная нагрузка она же несущая способность это та нагрузка, при достижении которой происходит разрушение детали, образца и т. п.;
— жесткость (механическая) это произведение модуля упругости (модуля сдвига) на характерную геометрическую величину (площадь, статический момент инерции или полярный момент инерции), является одним из основных параметров определяющих потенциальную энергию механических систем;
— спектральная плотность мощности случайных процессов это распределение энергии процесса по частотному составу.
В процессе эксплуатации изоляторов отмечено три варианта повреждений изоляторов: — разрушение фарфорового тела (район нижнего фланца ~ 75%, район верхнего фланца ~ 25%); — разрушение армировочного шва (полное или частичное выкрашивание); — разрушение фланцев (сквозные трещины). Причинами повреждений являются: — климатические факторы (воздействия перепадов температуры и влажности); — технологические нарушения при эксплуатации. Рассмотрим воздействие перепадов температуры на узел фланец – армировочный шов – фарфор. Для определения приблизительной оценки механических нагрузок примем следующие исходные данные:
— перепад температуры – 100оС; — временное сопротивление: чугуна – 0,65 ГПа; бетона – 0,048 ГПа; фарфора – 0,3 ГПа; — модуль упругости: чугуна – 113 ГПа; бетона – 15 ГПа; фарфора – 26 ГПа; — коэффициент линейного расширения: чугуна – 10*10-6 ,оС-1; бетона – 14*10-6 ,оС-1; фарфора – 3,4*10-6 ,оС-1; льда – 51*10-6, оС-1. Максимальные напряжения при перепаде температуры возникают на границах сочленения различных материалов. Для их вычисления определяется разница относительных деформаций и по известным соотношениям вычисляются напряжения в каждой из сопрягаемых деталей. Отношение временного сопротивления к полученному напряжению называется коэффициентом запаса прочности и характеризует несущую способность данной детали. Проведенные вычисления показывают, что при заданных исходных данных коэффициенты запаса для: — чугуна ~ 14 ед.; — армировочного шва (бетон) сочленение с фланцем ~ 8 ед.; — армировочного шва (бетон) сочленение с фарфоровым телом ~ 3 ед.; — фарфорового тела ~ 11 ед. Приведенные цифры не более чем минимально возможная оценка (другими словами оценка «снизу») и, тем не менее, они показывают, что: — наиболее нагруженным является сочленение армировочный шов – фарфоровое тело; — наименьшей несущей способностью обладает армировочный шов; — при самых жестких температурных условиях эксплуатации изолятор сохраняет свою прочность. Механические нагрузки, возникающие от ветровых воздействий и при переключениях, априори не превышают несущую способность изоляторов с большим запасом прочности. Кроме того, согласно требований ГОСТ Р 53034-2008 «Соприкасающиеся с армирующей связкой поверхности изоляционных частей и арматуры опорных изоляторов всех категорий размещения и классов напряжений должны быть покрыты ровным слоем компенсирующей промазки толщиной 0,2 – 0,3мм». Это значительно снижает температурные нагрузки на составные части изолятора. Рассмотрим материалы, используемые для изготовления изоляторов.
Электротехнический фарфор является композиционным материалом, состоящим, в основном из кварцевых частиц, распределенных в стеклообразной матрице. В процессе изготовления изолятора эти частицы подвергаются воздействию значительных растягивающих напряжений, возникающих при охлаждении фарфора после обжига из-за разных коэффициентов линейного расширения двух материалов. При действии этих напряжений могут зарождаться микротрещины в кварцевых частицах, стеклообразной матрице и на их границах. Этот процесс, в некоторой степени, характерен даже для доброкачественных изделий. При этом:
а) дефекты даже очень малых размеров (например, поверхностная трещина глубиной всего 0,1мм, расположенная у нижнего фланца изолятора) способны привести к разрушению изолятора;
б) длительность развития трещины от ее зарождения до излома фарфора трудно прогнозировать (от секунд до нескольких лет);
в) визуально обнаружить внутренние трещины фарфора, а также трещины, расположенные под фланцем изолятора, невозможно, и поверхностные трещины – очень трудно.
Воздействие на изолятор внешней силы приводит к появлению в нем дополнительных напряжений, разрушению новых частиц и скачкообразному росту микротрещин.
Армировочный шов представляет собой механическую смесь фарфоровой крошки и цемента. Под воздействием влаги (как всякий бетон армировочный шов достаточно гигроскопичен), температурных перепадов и внешних механических воздействий в нем образуются трещины (разрыхление армировочного шва). При попадании влаги в эти трещины и понижении температуры до отрицательных значений в зависимости от количества влаги могут происходить следующие явления:
— если количество влаги не превышает некоторую «критическую» величину, то происходит повышение прочности и жесткости изолятора (смерзание армировочного шва);
— если количество влаги превышает «критическую» величину, то возможно выкрашивание армировочного шва, разрыв фланца или разрушение фарфорового тела.
В некоторых изоляторах армировочный шов выполнен из расплавленной серы, по истечении некоторого времени сера кристаллизуется и в армировочном шве образуются трещины, что является причиной вышеупомянутых процессов. В качестве иллюстрации на Рис. 19…22 приведены фотографии нижних фланцев изоляторов, разрушившихся при переходе через нуль среднесуточной температуры. (Изоляторы находились в эксплуатации). Оранжево — коричневые полосы указывают на присутствие влаги в армировочных швах.


Рис. 1. Нижний фланец изолятора ИОС 110-600. Разрушился на разъединителе.

Рис.2. Увеличенный вид трещины в армировочном шве изолятора ИОС 110-600 (Рис. 1).

Рис. 3. Изолятор ИОС 110-600, разрушился при демонтаже.

Рис. 4. Увеличенный вид трещины в армировочном шве (серный расплав) изолятора ИОС 110-600 (Рис.5).

Приведенные выше рассуждения показывают, что наиболее нагруженной и наиболее подверженной повреждениям частью изолятора является армировочный шов (исключением является открытая микропористость фарфорового тела, но она выявляется в процессе изготовления изолятора). Механические напряжения, возникающие в стержне (балке), при
растягивающих или сжимающих силах описываются выражением:

σ = P/F, (1)

где: σ – напряжение;
P – растягивающая или сжимающая сила;
F – площадь опасного сечения.

Собственные частоты продольных колебаний возникающих в стержне, при воздействии импульсных или быстроменяющихся знакопеременных нагрузок описываются выражением:

ωk = π(2k — 1)(EF/μ)0,5/2L, (2)

где: ωk – собственная частота колебаний стержня;
k = (1, 2, …) — номер формы колебаний стержня;
Е – модуль упругости;
F – площадь поперечного сечения стержня;
μ – удельная плотность поперечного сечения стержня;
L – длина стержня.

Следует заметить, что аналитическое решение задачи об определении собственных частот колебаний изолятора (продольных, изгибных и крутильных) чрезвычайно сложно, поэтому используются численные методы. Рассмотрим формы колебаний изолятора подробнее, для этого проведем расчет собственных частот изолятора ИОС-110-400 в частотном диапазоне до 10кГц.

Рис. 5. Конструкция «заделки» и характеристики материалов, использованных
при вычислениях.

Следует, отметить, что формы колебаний связанные с кручением не рассматривались, как физически не реализуемые при предполагаемом возбуждении. Формы колебаний приведены в Таблице 1 и для наглядности на рис.2…17.
Таблица 1.

Рис. 6. 1-я собственная форма колебаний.  Рис. 7. 2-я собственная форма колебаний.

Рис. 8. 3-я собственная форма колебаний. Рис. 9. 4-я собственная форма колебаний.

Рис. 10. 5-я собственная форма колебаний. Рис. 11. 6-я собственная форма колебаний.

Рис. 12. 7-я собственная форма колебаний Рис. 13. 8-я собственная форма колебаний.

Рис. 14. 9-я собственная форма колебаний. Рис. 15. 10-я собственная форма колебаний.

Рис. 16. 11-я собственная форма колебаний. Рис. 17. 12-я собственная форма колебаний.

Рис. 18. 13-я собственная форма колебаний. Рис.19. 14-я собственная форма колебаний.

Рис. 20. 15-я собственная форма колебаний. Рис.21. 16-я собственная форма колебаний.

Полученные результаты позволяют сделать следующие замечания:
— каждая третья форма колебаний продольная;
— в данном частотном диапазоне отсутствуют колебания связанные с формами колебаний чашек.
Следует заметить, что колебания любых систем происходят по пути (по линии) наименьшего сопротивления. В частности, свободные колебания происходят на одной или нескольких резонансных частотах (строго говоря, на частотах близких к резонансным, поскольку механические колебания на резонансных частотах крайне неустойчивы). Свободные колебания изоляторов при импульсном возбуждении (с достаточно коротким импульсом) и при нагружении вибрационной нагрузкой с широким (не ниже 10 кГЦ) спектром происходят на частоте «стоячей волны». Стоячая волна – колебания, возникающие в распределенной системе (например, в упругой среде) в результате интерференции двух бегущих волн, амплитуды которых одинаковы, а направления распространения взаимно противоположны (стоячая волна в отличие от бегущей не переносит энергию). Частота стоячей волны в изоляторе определяется его длиной и скростью звука в материале, из которого изготовлен изолятор. На иллюстрациях это девятая форма колебаний Рис. 14. Для фарфоровых изоляторов на напряжение 110 кВ частота стоячей волны находится в районе 4500 Гц.

Контроль жесткости (механической) изолятора осуществляется виброакустическими методами. При этом контролируются либо частоты свободных колебаний, либо резонансные частоты колебаний изолятора (частоты свободных колебаний механических систем являются функциями жесткости этих систем). По частотному спектру колебаний изолятора судят об его работоспособности. Рассмотрим физическую суть метода контроля механической жесткости изолятора на примере колебаний консольно защемленной балки. На Рис. 22. и Рис.23 приведены схемы колебаний неповрежденной балки (Рис. 22 а) и балки с трещиной до нейтрального слоя в районе заделки (Рис.23 а); траектории движения свободного конца неповрежденной балки (Рис. 22 б) и балки с трещиной (Рис. 23 б); эпюры восстанавливающих усилий (механических напряжений) по опасному (поврежденному) сечению балок (Рис. 22, 23 в).

Рис. 22. Неповрежденная балка.

Рис. 23. Балка с трещиной до нейтрального слоя в районе заделки.

Сравнивая Рис. 22 и Рис 23, замечаем, что сумма восстанавливающих сил при раскрытой трещине значительно меньше, чем при закрытой (Рис. 23 в) и, следовательно, время движения балки до замыкания трещины превышает время движения до размыкания (Рис. 23 б). Если вычислим (измерим) спектры колебаний балок Рис. 22 и Рис. 23, то увидим, что трещина колебания балки Рис. 22 происходят с частотой f1 = 1/2t1, а в колебаниях балки Рис. 23 присутствуют две частоты f1 = 1/2t1 и f2 = 1/2t2.
Для определения аналитической зависимости между частотными и прочностными характеристиками изоляторов в качестве основного параметра выбрано временное сопротивление. Известные соотношения между прочностью и жесткостью конструкций позволили вывести зависимость между прочностью и частотами собственных колебаний изолятора:

P1/P0=I1/I0=F1/F0=Ip1/Ip0= (fi1/fi0)2, (3)

где: P0-предельная нагрузка неповрежденного изолятора;
P1-предельная нагрузка поврежденного изолятора;
I0-статический момент инерции опасного сечения неповрежденного изолятора (изгибные колебания);
I1- статический момент инерции опасного сечения поврежденного изолятора (изгибные колебания);
F0- площадь опасного сечения неповрежденного изолятора (продольные колебания);
F1- площадь опасного сечения поврежденного изолятора (продольные колебания);
Ip0- полярный момент инерции опасного сечения неповрежденного изолятора (крутильные колебания);
Ip1- полярный момент инерции опасного сечения поврежденного изолятора (крутильные колебания);
fi0- частота собственных колебаний неповрежденного изолятора;
fi1- частота собственных колебаний поврежденного изолятора;
i — собственная форма колебаний изолятора (i=1,2,…).

Это соотношение указывает на критерий работоспособности изолятора при использовании виброакустических методов.

Основным критерием сохранения работоспособности опорно-стержневого изолятора является неизменность во времени его амплитудно-частотных характеристик.

Следует заметить, что при силовом возбуждении, колебания возбуждаемой массы содержат информацию обо всей системе. То есть, если приложить силовое (не кинематическое) динамическое возбуждение на нижний фланец изолятора и на нем же зарегистрировать реакцию на это возбуждение, то получим полную информацию о динамических свойствах изолятора в целом. Это замечание указывает на принципы построения комплекса проверки работоспособности изоляторов, находящихся под рабочим напряжением.
Амплитудно-частотную характеристику можно представить как модуль передаточной функции. В дальнейшем будут рассматриваться только стационарные процессы. Измерение амплитудно-частотной характеристики системы (прибора, передающего тракта и т. п.) может быть проведено несколькими методами:
— методом возбуждения колебаний фиксированными частотами;
— методом возбуждения колебаний сканирующей частотой;
— методом возбуждения колебаний случайным процессом с плоским спектром («белый шум»).
Последний метод по временным характеристикам является наиболее приемлемым для решения поставленной задачи. В качестве выходного параметра принята спектральная плотность мощности (СПМ), которая полностью повторяет амплитудно – частотную характеристику исследуемого процесса. Точное значение СПМ вычисляется (измеряется) на бесконечном времени, поэтому при практическом применении оперируют понятием оценка СПМ. Для получения единообразных результатов и удобства при проведении анализа проводится нормирование исходных процессов. Нормирование проводится по среднеквадратическому значению («стандарту») исходного процесса.
По перечисленным принципам спроектирован и изготовляется мобильный индикаторный комплекс (МИК-1). МИК-1 находится в эксплуатации энергетическими предприятиями с 2005 года. Если проведение регистрации не вызывает проблем, то затруднения возникают при проведении анализа результатов измерений. Поэтому рассмотрим подробнее результаты измерений.
Критериями оценки механического состояния изоляторов при первом обследовании, проведенном при положительной температуре, являются:
Изолятор в удовлетворительном состоянии:
наличие одного максимума на СПМ в диапазоне частот 4000-5000Гц (основная или определяющая частота ~4500Гц это частота стоячей волны в изоляторе);
Изолятор в неудовлетворительном состоянии (однозначная отбраковка – снижение несущей способности изолятора в ~3 – 20 раз):
— максимум в диапазоне частот 4000 — 5000 Гц одинаков или меньше максимума в диапазоне частот 1000 — 3000 Гц;
— наличие одного максимума на СПМ в диапазоне частот 1000 -3000Гц;
— максимум в диапазоне частот 4000 — 5000 Гц одинаков или меньше максимума в диапазоне частот 8000 — 10000 Гц;
— наличие одного максимума на СПМ в диапазоне частот 8000 -10000Гц;
Все оставшиеся случаи требуют обследования более точными методами, например комплексом ПАК-3М.
Повреждение изолятора с потерей несущей способности в районе нижнего фланца более чем в 20 раз и в районе верхнего фланца в 5 раз комплексом МИК-1 не определяется, так как критерии повреждения («характерные пики» на оценках СПМ) находятся за пределами его чувствительности — 1000 Гц и 10000 Гц (См. формулу 3).
Повторное обследование виброакустическим методом, проведенное по истечении 6-8 месяцев (после окончательного перехода среднесуточной температуры через ноль градусов), позволяет уточнить механическое состояние изоляторов.
Изолятор в удовлетворительном состоянии. Изолятор, изготовленный без отклонений от требований технологических процессов вне зависимости от страны-производителя, завода-изготовителя и температуры окружающей среды, имеет оценку СПМ вибрации с одним пиком в области 4500Гц (Рис.24, 25, 26, 27).

Рис. 24. Оценка СПМ вибрации изолятора 35 кВ.

Рис 25. Оценка СПМ вибрации изолятора 110 кВ.

Рис 26. Оценка СПМ вибрации колонки изоляторов 220 кВ.

Рис. 27. Оценка СПМ вибрации колонки изоляторов 330 кВ.

Изоляторы в неудовлетворительном состоянии (однозначная отбраковка).
Изоляторы, имеющие дефект (повреждение) в районе нижнего фланца, на оценке СПМ вибрации имеют пики кроме основного (определяющего) на частоте 4500Гц еще в районе 1000-3000Гц (Рис. 28, 29, 30, 31, 32).
Изолятор, имеющий дефект (повреждение) в районе верхнего фланца на оценке СПМ вибрации имеет пики кроме основного (определяющего) на частоте 4500Гц еще и в районе 8000-10000Гц. (Рис. 33, 34).

Рис. 28. Оценка СПМ вибрации колонки изоляторов 330кВ. Изолятор сломался при демонтаже. Излом в районе нижнего фланца нижнего изолятора.

Рис.29. Оценка СПМ вибрации колонки опорного изолятора 220 кВ, находившегося в неудовлетворительном состоянии (внутренняя (невидимая) трещина у нижнего фланца нижнего изолятора).

Рис. 30. Оценка СПМ вибрации колонки изоляторов 220кВ. Изолятор сломался при переключении. Излом в районе нижнего фланца.

Рис. 31. Оценка СПМ вибрации колонки изоляторов220 кВ, в неудовлетворительном состоянии (сломался при отключении верхний изолятор). Излом в районе нижнего фланца.

Рис. 32. Оценка СПМ вибрации изолятора 110 кВ, в неудовлетворительном состоянии. Дефект в районе нижнего фланца.

Рис. 33. Оценка СПМ вибрации изолятора 110 кВ, имеющего дефект в районе верхнего фланца, 110 кВ.

Рис. 34. Оценка СПМ вибрации изолятора, 35кВ. Изолятор сломался при демонтаже. Излом в районе верхнего фланца.

На графике Рис.31. кроме пиков на частотах 4500Гц и 1800Гц присутствует пик на частоте 8000Гц, указывающий на повреждение во втором изоляторе (в большинстве случаев определить повреждение (дефект) на конкретном изоляторе в колонке затруднительно).
На Рис. 35 и 36 приведены оценки СПМ вибрации изолятора 110 кВ измеренные при положительной и отрицательной температуре окружающей среды.

Рис. 35. Оценка СПМ вибрации изолятора 110 кВ Температура воздуха – плюс 26оС. Масштаб – линейный.

Рис.36. Оценка СПМ вибрации изолятора 110 кВ. Температура воздуха – минус 8оС. Масштаб – линейный.

На графиках Рис. 35, 36 приведены оценки СПМ вибрации изолятора, у которого при переходе среднесуточной температуры с плюса на минус механическая жесткость изолятора возросла. Это явление может быть следствием двух причин:
— наличие в изоляторе некоторого количества влаги недостаточного для его повреждения и, вследствие ее замерзания, приводящее к увеличению жесткости изолятора;
— неоднородности (рыхлости) армировочных швов, которые уплотнились из-за различия коэффициентов линейного расширения чугуна и фарфора при понижении температуры, что также повысило жесткость изолятора.
В любом случае данный изолятор требует повышенного внимания со стороны технического персонала энергопредприятия.
В случаях, когда невозможно принять решения по оценкам СПМ в линейном масштабе полезно рассмотреть данные в логарифмическом масштабе. Этот прием позволяет выявить тенденцию развития дефекта в изоляторе. На графиках Рис. 37, 38 приведены оценки СПМ вибрации изолятора в линейном и логарифмическом масштабе. Если по графику Рис. 37. невозможно определить, к какой категории относится данный изолятор (кроме основной частоты 4500Гц присутствуют частоты 3800Гц и 5000Гц), то на графике Рис. 38. видно, что в диапазонах «критических» частот (1000-3000Гц и 8000-10000Гц) интенсивность вибрации мала, следовательно, этот изолятор находится в удовлетворительном состоянии.

Рис. 37. Оценка СПМ вибрации изолятора 110 кВ. Масштаб – линейный.

Рис. 38. Оценка СПМ вибрации изолятора110 кВ. Масштаб – логарифмический.

Вернемся к основному критерию сохранения работоспособности изолятора. На Рис. 39-43 приведены результаты обследования изоляторов в течение двух лет.

Рис. 39. Оценки СПМ вибрации изолятора, измеренные в течение двух лет при различной температуре окружающей среды (Первое измерение – плюс 100С, второе – минус 100С, третье – плюс 50С, четвертое – минус 50С).

Рис. 40. Оценки СПМ вибрации изолятора, измеренные в течение двух лет при различной температуре окружающей среды (Первое измерение – плюс 100С, второе – минус 100С, третье – плюс 50С, четвертое – минус 50С).

Рис. 41. Оценки СПМ вибрации изолятора, измеренные в течение двух лет при различной температуре окружающей среды (Первое измерение – плюс 100С, второе – минус 100С, третье – плюс 50С, четвертое – минус 50С).

Рис. 42. Оценки СПМ вибрации изолятора, измеренные в течение двух лет при различной температуре окружающей среды (Первое измерение – плюс 100С, второе – минус 100С, третье – плюс 50С, четвертое – минус 50С).

Рис. 43. Оценки СПМ вибрации изолятора, измеренные в течение двух лет при различной температуре окружающей среды (Первое измерение – плюс 100С, второе – минус 100С, третье – плюс 50С, четвертое – минус 50С).

На Рис. 39, 40 и 41 приведены результаты обследования трех изоляторов ИОС-110-400 проведенные в течение двух лет при температуре окружающей среды от минус 100С до плюс 100С. Рассматривая результаты обследования, отмечаем:
— изоляторы не увлажнены;
— изолятор, характеристики которого приведены на Рис.39. сохранил механическую прочность;
— в изоляторе, характеристики которого приведены на Рис.40., развивается повреждение в районе нижнего фланца, однако повреждение незначительное и изолятор может эксплуатироваться;
— в изоляторе, характеристики которого приведены на Рис.41., развивается повреждение в районе верхнего фланца, однако повреждение незначительное и изолятор может эксплуатироваться далее.
На Рис. 42 приведены результаты обследования изолятора ИОС-110-400 проведенные в течение двух лет при температуре окружающей среды от минус 100С до плюс 100С. Рассматривая результаты обследования, отмечаем,
что армировочный шов верхнего фланца изолятора был увлажнен, что и привело к повреждению в районе верхнего фланца.
На Рис. 43. приведены результаты обследования изолятора ИОС-110-400 проведенные в течение двух лет при температуре окружающей среды от минус 100С до плюс 100С. Рассматривая результаты обследования, отмечаем, что изолятор получил повреждение в районе нижнего фланца.
Интересно пронаблюдать развитие повреждения в изоляторе. Для этого рассмотрим разрушение изолятора при изгибе. Испытания проведены на заводе высоковольтных электроизоляторов «ЭЛИЗ». Испытаниям подвергались изоляторы ИОС 110-400. Нагружения производились с шагом в 25% от заявленной на этот тип изоляторов номинальной нагрузке (для испытуемых изоляторов шаг равен 100 кГс). В табл. 2 и 3 приведены усилия нагружения и номера оценок СПМ.
Таблица 2.
Испытания изолятора ИОС 110-400 зав. № 30.


Таблица 3.
Испытания изолятора ИОС 110-400 зав. № 167.


Оба изолятора полностью разрушились при нагрузке ~300% (~1200 кГс) – излом фарфорового тела. На графиках Рис. 44 и 45 приведены оценки СПМ вибрации изоляторов после каждого уровня (шага) нагружения.

Рис. 44. Оценки СПМ изолятора ИОС 110-400 зав. № 30.

Рис. 45. Оценки СПМ изолятора ИОС 110-400 зав. № 167.

Результаты измерений показывают:
— значимые повреждения в изоляторах возникли после нагрузок 150-175% от номинала;
— после значительных повреждений происходит сдвиг основной частоты на 500 – 700Гц в сторону увеличения;
— после нагрузки 250% от номинала повреждения в изоляторах достигли предела чувствительности комплекса МИК-1.
Безусловно, испытания такого типа желательно продолжить, чтобы более подробно изучить механизм разрушения изолятора. Результаты этих исследований помогут как производителям изоляторов, так и эксплуатирующим организациям.