CC BY
14УДК 621.3.048.1
Е.В. Глебова, А.А. Дочкин
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: lena.glebova18039 [email protected]
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ В СУДОВЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СИСТЕМАХ
Применение высоковольтных систем на морских судах в значительной мере повышает требования надежности и безопасной эксплуатации судового электрооборудования. Эти требования отражены в ряде международных морских документов, в том числе в стандартах компетенции судового персонала в отношении безопасной эксплуатации высоковольтного оборудования. Основу безопасной эксплуатации высоковольтного оборудования обеспечивает изоляция и изолирующие устройства, называемые изоляторами. В статье произведен обзор современных изоляторов высокого напряжения с анализом недостатков и преимуществ основных видов современных изоляторов. Также рассмотрены перспективы применения полимерных изоляторов в судовых условиях.
Ключевые слова: высоковольтное оборудование, электрическая изоляция, электрическая прочность, надежность, безопасность.
E.V. Glebova, A.A. Dochkin
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatskу, 683003 e-mail: lena.glebova18039 [email protected]
ASSESSMENT OF THE POSSIBILITY OF USING POLYMER INSULATORS IN MARINE HIGH-VOLTAGE SYSTEMS
The use of high-voltage systems on ships significantly increases the requirements for reliability and safe operation of marine electrical equipment. These requirements are reflected in a number of international maritime documents, including the standards of competence of ship personnel in relation to the safe operation of highvoltage equipment. The basis for the safe operation of high-voltage equipment is provided by insulation and insulating devices called insulators. The article provides an overview of modern high-voltage insulators, with an analysis of the disadvantages and advantages of the main types of modern insulators. The prospects of using polymer insulators in ship conditions are also considered.
Key words: high-voltage equipment, electrical insulation, electrical strength, reliability, safety.
На современных морских судах все шире применяются мощные электроприводы в системах электродвижения, в подруливающих устройствах, в грузовых комплексах и других механизмах. В связи с этим наблюдается рост энерговооруженности морских судов, и важными критериями при выборе значения питающего напряжения становятся величина падения напряжения и потери в линии. Все это требует рассматривать возможность перспективного перехода к судовым электроэнергетическим высоковольтным системам.
Основу безопасной эксплуатации высоковольтного оборудования в судовых условиях составляет изоляция токоведущих частей. Обеспечить реализацию данных требований с учетом особенностей судовых корпусных конструкций и особенностей эксплуатации судов представляется достаточно сложной задачей [1-4].
Основу изоляции высоковольтных линий составляют полимеры (пластмасса, биоматериалы, эластомеры и т. д.) [5]. Одним из последних достижений науки стало применение высоковольтных полимерных изоляторов, от которых зависит в том числе и бесперебойная поставка электроэнергии к потребителю. Первые полимерные изоляторы стали использоваться в конце 60-х годов,
состояли они, как правило, из эпоксидных смол. Срок службы таких изоляторов составлял от 5 до 7 лет. Под действием солнечных лучей и высокой температуры эпоксидные изоляторы разрушались и теряли свои свойства [6-9].
В конце 70-х годов был разработан изолятор из полиорганосилоксанов, в состав которого входил каучук, полученный путем его вулканизации. Для улучшения электротехнических свойств в эластичный каучук добавляли активный усиливающий наполнитель, как правило, двуокись кремния. Внешний вид такого полимерного изолятора представлен на рис. 1.
На сегодняшний день наряду с традиционными стеклянными и фарфоровыми изоляторами в высоковольтных системах все шире применяются конструкции на основе высококачественных полимеров. Развитие полимерных изоляторов проходило поэтапно, в связи с чем различают три основных типа высоковольтных изоляторов:
1. Полимерные изоляторы первого поколения. Изолятор собирается вручную с клееной кремнийорганической оболочкой через проклейку.
представляют собой модернизированную конструкцию изолятора первого поколения путем герметизации узла оконцевателя.
3. Полимерные изоляторы третьего поколения представляют собой изолятор с цельнолитой кремнийорганический оболочкой, наносимой под большим давлением. Производятся такие изоляторы по бесшовной технологии, полностью автоматически.
Изоляторы третьего поколения имеют гарантию от производителя не менее пяти лет, а общий срок службы таких изоляторов составляет до 50 лет. Кроме того, данные изоляторы имеют лучшие массогабаритные характеристики, поэтому изоляторы третьего поколения пользуются высоким спросом как в России, так и во всем мире. Процесс изготовления полимерных изоляторов не требует больших помещений и сложного оборудования, поэтому его производство расширяется и качество конструкции постоянно улучшается.
Изолятор в своей основе имеет стеклопластиковый стержень, который заканчивается окон-цевателем и покрывается слоем из полимерных материалов определенной толщины. Стеклопла-стиковый стержень предназначен для обеспечения механической и электрической стойкости изоляционного материала и несет на себе основную механическую нагрузку. Благодаря оконце-вателю высоковольтный изолятор фиксируется к опорам или несущим корпусным конструкциям, при этом обеспечивая изоляцию от них токоведущих частей. Полимерный слой защищает стержень высоковольтного изолятора от жестких климатических влияний. Конфигурация поверхности изолятора определяется таким образом, чтобы увеличить его электрическую прочность и снизить вероятность пробоя изолятора при эксплуатации. Свойства полимерных материалов, используемых в серийном производстве, позволяют без особых усилий придать изолятору необходимую форму с высоким качеством поверхности.
Основными материалами, используемыми в производстве полимерных изоляторов, являются разные каучуки, в основном бутадиен-стирольные, кремнийорганические, натуральные, эти-ленпропиленовые. В качестве вулканизирующей добавки применяется кремний с различными технологиями производства. Так, на основе кислорода получают силоксановый кремний, на основе азота производится боросилоксановый кремний, и на основе углерода изготавливается сил-карбоновый кремний.
Устройство типового полимерного изолятора представлено на рис. 2.
Основными преимуществами высоковольтных полимерных изоляторов являются:
- механическая прочность;
- устойчивость к загрязнениям и солнечному свету;
- не деформируются при высоких температурах;
- гидрофобность, лиофобность;
- высокая стойкость к перенапряжению.
Вместе с тем следует отметить недостатки данных устройств, особенно связанные с эксплуатацией в морских условиях [10-12]:
Рис. 1. Внешний вид полимерного изолятора 2. Полимерные изоляторы второго поколения
- активизация процессов старения при воздействии ультрафиолета;
- при старении уменьшается механическая и электрическая прочность;
- пожароопасность;
- подверженность грибковому загрязнению;
- невозможность монтажа и ремонта под напряжением.
Рис. 2. Устройство типового полимерного изолятора
Поэтому следует тщательно изучать и анализировать опыт эксплуатации полимерных изоляторов, в том числе за рубежом. Наиболее широкий опыт в эксплуатации данных элементов наблюдается в Северной Америке. В частности, на территории США 25% всех установленных изоляторов относятся к полимерным системам третьего поколения. В Китае широкое применение нашли изоляторы на основе силикона, так как они более устойчивы к солнечному свету. Из-за высокой солнечной активности и влажности в Италии было внедрено несколько типов изоляторов. В Египте, Австралии и Индии используются изоляторы с бустерной юбкой. В странах Азии, Африки и Латинской Америки испытывается трудность в использовании традиционных изоляторов, как, например, в России, поэтому там распространены изоляторы третьего поколения, так как мировое производство их находится именно там. Также в этих странах выполнено большое количество исследования и публикаций по данной тематике.
За последние 20 лет полимерные изоляторы стали производиться технологически более качественными. Производство и внедрение именно полимерных изоляторов имеет высокий экономический эффект. В первое время использование полимерных изоляторов было дороже, чем стеклянных или фарфоровых, и экономия складывалась за счет монтажных и транспортных расходов при эксплуатации. Сегодня же, благодаря увеличению темпов производства и объема продаж, стоимость полимерных изоляторов стала гораздо ниже традиционных. Наиболее выгодным и дешевым стало производство изоляторов напряжением выше 220 кВ.
Высоковольтные изоляторы из полимера имеют большие перспективы на российском рынке. По предварительным прогнозам, рынок освоения таких изоляторов к 2025 г. вырастет на пять процентов. Единственным спорным недостатком данных изоляторов остается фактор старения. Высоковольтные изоляторы из полимера в необозримом будущем полностью заменят стеклянные изоляторы, так как они наиболее экологичны, дешевле, качественнее, энергоэффективнее и удобнее в монтаже.
Таким образом, применение изоляторов из полимеров будет расширяться, в том числе при доработке конструкции и локализации отдельных недостатков возможно их использование в судовых высоковольтных системах [13-15].
Несмотря на то что низковольтное судовое оборудование дешевле, проще в монтаже и эксплуатации, не требует такого высокого уровня квалификации от персонала, повышение номинального напряжения судовых сетей неизбежно. Однако следует учесть все особенности эксплуатации высоковольтных сетей в судовых условиях, в первую очередь связанные с безопасностью эксплуатации.
Поэтому исследования в области совершенствования высоковольтной изоляции остаются актуальными и требуют не только изучения свойств новых изоляционных материалов, но и анализа опыта эксплуатации используемых полимерных изоляторов [16].
Литература
1. Белов О.А., Зайцев С.А. К вопросу оценки безопасности морских судов камчатского флота // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое: Материалы X Национальной (всерос.) науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. -С. 80-83.
2. Белов О.А. Общий алгоритм развития опасных ситуаций в судовых условиях // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Восьмой всерос. науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2017. - С. 51-54.
3. Белов О.А., Парфенкин А.И. Обзор основных факторов снижения безопасности сложных технических систем // Вестник Камчатского государственного технического университета. -2016. - № 35. - С. 11-14.
4. Белов О.А. Процесс формирования постепенного отказа в технических системах // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Шестой всерос. науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2015. - С. 44-49.
5. ГОСТ 28856-90 Изоляторы линейные стержневые полимерные. Технические требования. Методы испытаний.
6. Гутман И.Ю., Кравченко В.А., Соломоник Е.А. Исследования и опыт эксплуатации подвесных полимерных изоляторов // Электрические станции. - 1995. - № 12. - С. 56-64.
7. Белов О.А. Методология оценки технического состояния электрооборудования при развитии параметрических отказов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. - 2015. - № 3. - С. 96-102.
8. Белов О.А., Богославский И.С., Преданцев Э.А. Оптимизация элементной базы системы автоматики золотоизвлекающей фабрики ЗАО «Тревожное зарево» // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Седьмой всерос. науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2016. - С. 112-114.
9. Кротенко Д.С., Белов О.А Моделирование процессов оптимизации режимов судовой электроэнергетической системы при электропитании от береговой сети // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Второй междунар. науч.-техн. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2020. - С. 77-80.
10. Белов О.А. Аналитический обзор факторов эффективной эксплуатации морского транспорта // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы междунар. науч.-техн. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - С. 5-9.
11. Ещенко Д.В., Никитин А.Т., Белов О.А. Практическое применение методов тепловизион-ного анализа и контроля // Вестник Камчатского государственного технического университета. -2020. - № 54. - С. 6-19.
12. Сивоконь В.П., Лапшов Д.В., Белов О.А. Диагностические признаки нестандартного проявления нелинейности в электрических сетях // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2019. - № 48. - С. 18 -27.
13. Пантина А.И., Белов О.А. Перспективы методики инфракрасной диагностики силовых трансформаторов // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Восьмой всерос. науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2017. - С. 102-104.
14. Пантина А.И., Белов О.А. Контроль технического состояния судовых асинхронных двигателей на основе характеристик внешнего электромагнитного поля // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2017. - Т. 13, № 1. - С. 32-36.
15. Белов О.А., Мясников Г.С. Внедрение комплексной защиты судовых асинхронных электроприводов // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Второй междунар. науч.-техн. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2020. - С. 73-76.
16. Белов О.А., Белова Е.П. Инженерное образование как фактор развития техники и технологий // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Десятой национальной (все-рос.) науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - С. 106-108.
