Odporność izolatorów kompozytowych na narażenia mechaniczne

wspomagających pomiary MFL poprzez ocenę położenia wady
względem powierzchni skanowanej. Zagadnienia te będą stanowić temat dalszych badań autorów.
[6]
PIŚMIENNICTWO
[7]
[1] Mandayam S., Udpa L., Udpa S.S., Lord W., Invariance transformations for magnetic flux leakage signals, IEEE Trans. Magn.,
1996, vol. 32, no. 3, pp. 1577-1580.
[2] Katragadda G., Sun Y.S., Lord W., Udpa S.S., Udpa L., Velocity effects and their minimization in MFL inspection of pipelines
- a numerical study, Review in Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, 1995, vol. 14.
[3] Li Y., Tian G.Y., Ward S., Numerical simulation on flux leakage
evaluation at high speed, NDT E Int. 2006(39) pp. 367-373.
[4] Gan. Z., Chai X., Numerical simulation on magnetic flux leakage
testing of the steel cable at different speed title, 2011 International Conference on Electronics and Optoelectronics.
[5] Zhang L., Belblidia F., Cameron I., Sienz J., Boat M., Pearson
N., Influence of specimen velocity on the leakage signal in ma-
[8]
[9]
gnetic flux leakage type nondestructive testing, J Nondestruct
Eval 2015, 34:6.
Park G.S., Park S.H., Analysis of the velocity-induced eddy current in MFL type NDT, IEEE Trans. Magn. 2004, vol. 40, no. 2,
pp. 663-666.
Zhiye D., Jiangjun R., Ying P., Shifeng Y., Yu Z., Tianwei L., 3-D
FEM simulation of velocity effects on magnetic flux leakage testing signals, IEEE Trans. Magn. 2008, vol. 44, no. 6, pp. 16421645.
Wang P., Gao Y., Tian G.Y.., Wang H., Velocity effect analysis
of dynamic magnetization in high speed magnetic flux leakage
inspection, NDT E Int. 2014(64), pp. 7-12.
Augustyniak B., Chmielewski M., Leszczyński T., Łukajtis W.,
Raczyński P., Metodyka detekcji i obrazowania wad w ścianach
rurociągów i zbiorników z wykorzystaniem efektu magnetycznego pola rozproszonego [w:] Materiały konf. „Zarządzanie
ryzykiem w eksploatacji rurociągów”. VII Krajowa Konferencja
Techniczna. Płock, 27-28 maja 2004, s. 67-72.
Wojciech Kłosak
Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A.
Odporność izolatorów kompozytowych
na narażenia mechaniczne
Resistance of composite insulators
to mechanical hazards
Rozwój technologii oraz stale rosnący udział tworzyw
sztucznych w gospodarce sprawił, że w naszym otoczeniu pojawia się coraz więcej produktów z nich wytwarzanych. Postęp
w tej dziedzinie jest nieunikniony i wymuszony głównie względami ekonomicznymi (tańsze, bo mniej pracochłonne i lżejsze
konstrukcje). Postęp w dziedzinie materiałoznawstwa sprawił,
że współczesne izolatory wykonane w technologii polimerowej
stały się konkurencyjne do łańcuchów izolatorów szklanych
i izolatorów ceramicznych produkowanych do dnia dzisiejszego. Prostota produkcji izolatorów kompozytowych oraz stosunkowo niewielkie nakłady na jej uruchomienie wpłynęły na
Artykuł przygotowany na podstawie badań zleconych przez PSE S.A., wykonanych przez Instytut Energetyki, Instytut Badawczy, Zespół ds. Przepisów i Normalizacji.
1)
strona 90
pojawienie się wielu producentów izolatorów kompozytowych
i oferowanych typów.
Bogata oferta izolatorów kompozytowych, a także często
jedyne kryterium, jakim jest cena przy wyborze najkorzystniejszej oferty przez właścicieli sieci elektroenergetycznych, stwarza duże ryzyko zakupu izolatorów miernej jakości. Przywołanie
w specyfikacji istotnych warunków zamówienia postanowień
wyłącznie według istniejących dokumentów normatywnych nie
daje gwarancji zakupu dobrej jakości izolatora kompozytowego,
ze względu na dotychczasowe wymagania ujęte w normach, dotyczących izolatorów kompozytowych.
W najważniejszych polskich normach (będących odpowiednikami norm międzynarodowych i europejskich) z zakresu jakościowych wymagań dla kompozytowych izolatorów liniowych: PN-EN 61109:2010P, PN-EN 61466-1:1999P
www.energetyka.eu
luty
2016
i ­PN-EN 62217:2013E nie ujęto w pełni różnych aspektów mechanicznej wytrzymałości izolatorów kompozytowych. Głównym
odniesieniem jest w normach statyczna wytrzymałość mechaniczna, czyli znamionowe obciążenie mechaniczne (SML), które
nie obejmuje mechanicznej wytrzymałości zmęczeniowej izolatorów, uwzględniającej rzeczywiste warunki pracy.
W rzeczywistości izolator zamontowany w linii napowietrznej jest obciążony siłą rozciągającą o wartości poniżej deklarowanej przez producenta SML (wartość obciążenia rzeczywistego zależy od ciężaru i naprężenia przewodów), ale dodatkowo
jest narażony na działanie zmiennej cyklicznie działającej siły
rozciągającej, pochodzącej od drgań przewodu, wywołanych
czynnikami atmosferycznymi. Przewody i konstrukcje słupów
wykonane z materiałów sprężystych, oddziałując wzajemnie
na siebie, wywołują siłę zmienną nieustaloną, o nieustalonym
charakterze.
Mając na uwadze powyższe, Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A. w lipcu 2015 r. wprowadziły do stosowania nową
specyfikację techniczną „Kompozytowe izolatory wiszące do
sieci 400 kV”, rozszerzającą zakres wymagań (w stosunku do
wymagań znormalizowanych), jakie muszą spełniać dostawcy-producenci izolatorów kompozytowych. Wymagania te zostały
rozszerzone przede wszystkim o:
• wytrzymałość izolatorów na rozciąganie przy obciążeniu
zmiennym (cyklicznym),
• konieczność określenia właściwości materiałów, stosowanych do wykonywania izolatorów oraz ich elementów składowych (m.in. znamionowej wytrzymałości okuć i technologii ich wykonywania).
Najistotniejszym dodatkowym wymaganiem, mającym
wpływ na trwałość izolatora, jest jego wytrzymałość zmęczeniowa. Polskie Sieci Elektroenergetyczne, współpracując
z jednostkami naukowo-badawczymi, między innymi z Instytutem Energetyki, uczestniczyły we współfinansowaniu badań
izolatorów kompozytowych pod tym kątem, które okazały się
słusznym kierunkiem. W wyniku badań zauważono, że podawana przez producentów wytrzymałość mechaniczna izolatorów
kompozytowych SML nie w pełni odzwierciedla jego trwałość.
Wszystkie nowe izolatory poddane badaniom spełniały określoną przez producenta wytrzymałość statyczną, nawet znacznie
ją przekraczając. W ramach wykonanych badań zasymulowano
obciążenie izolatorów siłą zmienną, odwzorowującą występujące w warunkach rzeczywistych obciążenia. W warunkach laboratoryjnych zasymulowanie obciążenia siłą rzeczywistą jest
możliwe poprzez zebranie pomiarów sił z istniejących obiektów
liniowych, co jednak wymaga długiego czasu. Dlatego zdecydowano się na obciążenie izolatorów rozciągającą siłą cykliczną,
oscylującą wokół siły o wartości stałej (statycznego obciążenia
średniego). Siła o stałej wartości symuluje obciążenie izolatora
pochodzące od ciężaru i naprężenia przewodów, natomiast siła
oscylująca symuluje oddziaływania konstrukcji i drgań przewodów, spowodowane czynnikami atmosferycznymi. Charakter
probierczego cyklicznego obciążenia izolatora i odpowiadające
temu obciążeniu przyrost wydłużenia izolatora przedstawiono
na rysunku 1.
Amplituda obciążenia cyklicznego (zmiennego) wynosiła
do ± 25% wartości siły stałej (statycznego obciążenia średniego), a maksymalna wartość obciążenia cyklicznego (czyli suma
luty
2016
siły stałej i amplitudy obciążenia cyklicznego) zwykle nie przekraczała gwarantowanej wytrzymałości SML, określonej przez
producenta. Badania te przeprowadzono dla różnych wartości obciążenia maksymalnego. Każdą próbę prowadzono aż
do zniszczenia izolatora. Na rysunku 2 pokazano uszkodzone
w próbie zmęczeniowej rdzenie różnych typów kompozytowych
izolatorów liniowych.
150.0
F [kN]
s [mm]
120.0
Przebieg zmian
obciążenia
90.0
60.0
30.0
0.00
0.00
0.80
1.60
2.40
3.20 t [s] 4.00
Przebieg zmian
przyrostu
wydłużenia
Rys. 1. Przykład przebiegu zmian obciążenia rozciągającego
i przyrostu wydłużenia izolatora podczas próby zmęczeniowej
typowego kompozytowego izolatora liniowego
Rys. 2. Przykłady uszkodzeń
podczas prób zmęczeniowych
rdzeni różnych typów
kompozytowych izolatorów
liniowych
W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono wyraźną
zależność liczby wytrzymanych do zniszczenia cykli od wartości
obciążenia maksymalnego: im niższa wartość obciążenia maksymalnego, tym większa liczba wytrzymanych przez izolator cykli. W ramach analizy wyników prób kompozytowych izolatorów
liniowych, wyniki te przyjęto za współrzędne punktów w układzie
współrzędnych według zasady:
• wartość odciętej – liczba cykli do zniszczenia izolatora
• wartość rzędnej – względna wartość (procentowa) obciążenia maksymalnego w stosunku do znamionowego obciążenia mechanicznego izolatora.
Naniesione w ten sposób dla danego typu izolatora punkty na zorientowanej płaszczyźnie aproksymowano empirycznie
funkcją potęgową, którą przyjęto nazywać charakterystyką zmęczeniową izolatora kompozytowego lub modelem wytrzymałości
izolatora kompozytowego przy obciążeniu cyklicznym.
www.energetyka.eu
strona 91
Obciążenie względne Fmax/SML (%)
1000
100
10
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
100000000
liczba cykli N
Rys. 3. Przykładowe charakterystyki zmęczeniowe badanych izolatorów do linii 400 kV, wyznaczone podczas badań w latach 2004-2008
oraz zasada kryterium oceny ich odporności na obciążenia cykliczne (amplituda zmian obciążenia
– 25% obciążenia średniego; krzywa kryterialna opracowana na podstawie badań kilkunastu typów izolatorów)
prod. A – izolatory nie spełniają kryteriów odporności na obciążenia cykliczne – ich charakterystyka leży pod krzywą kryterialną;
prod. B – izolatory spełniają kryteria odporności na obciążenia cykliczne – ich charakterystyka leży nad krzywą kryterialną
Poddane takiej analizie wyniki badań zmęczeniowych
licznej grupy izolatorów kompozytowych różnych producentów
wykazywały silną korelację, a dokładność odwzorowania (czyli
wartości funkcji aproksymującej w stosunku do wartości empirycznych) okazywała się zawsze bardzo dobra, niezależnie od
różnicy w konstrukcji, czy jakości badanych izolatorów. Pozwoliło to na opracowanie kryteriów oceny odporności izolatorów
kompozytowych na obciążenie cykliczne, czyli metody szacowania ich trwałości. Dodatkowym, choć bardzo istotnym, aspektem
wyznaczania charakterystyk zmęczeniowych, jest możliwość ich
wykorzystania do porównywania mechanicznych właściwości
izolatorów, które to izolatory nie różnią się pod względem danych
katalogowych według norm.
Zasadę, przyjętego za główne, kryterium oceny kompozytowych izolatorów liniowych pod względem właściwości mechanicznych (odporności na obciążenia cykliczne) na podstawie ich
charakterystyki zmęczeniowej zobrazowano na rysunku 3.
Wyznaczone charakterystyki zmęczeniowe potwierdzają,
że do określonej przez producentów mechanicznej wytrzymałości statycznej należy podchodzić racjonalnie. W praktyce okazuje się często, że izolator kompozytowy o bardzo dużej statycznej
wytrzymałości na rozciąganie bardzo szybko może ulec uszkodzeniu w wyniku działania siły cyklicznej lub nieustalonej, występującej w warunkach rzeczywistych.
Wynikać to może z różnego współczynnika wydłużenia
sprężystego materiałów, z którego jest wykonany rdzeń izolatora (włókna szklane, żywica epoksydowa). Różne współczynniki sprężystości podczas długotrwałego działania siły
cyklicznej wpływają na dodatkowe naprężenia wewnętrzne
w rdzeniu, które mogą powodować mikropęknięcia w rdzeniu
i spadek jego wytrzymałości. Osłabienie wytrzymałości rdzenia
w wyniku działania siły cyklicznej wymaga jeszcze dokładnych
analiz i badań, aby znaleźć zjawisko które ma na to decydujący wpływ. Wydaje się jednak, że zastosowana proponowana
metoda badań zmęczeniowych jest obecnie najlepszym uzupełnieniem oceny mechanicznej wytrzymałości i trwałości izolatorów kompozytowych.
strona 92
Rozwój technologii i materiałów nie tylko w zakresie konstrukcji izolatorów niesie szereg nadziei, dotyczących poprawy
trwałości elementów linii, które stanowią ważny element sieci
przesyłowej. Polskie Sieci Elektroenergetyczne są otwarte na
zastosowanie nowych rozwiązań technicznych z jednoczesnym
uwzględnieniem odpowiednich standardów jakościowych.
Przykładem jest tutaj pojawienie się nowych technologii w zakresie przewodów do linii napowietrznych – przewodów o małych zwisach zwanych także wysokotemperaturowymi. Współpraca tego typu przewodów z izolatorami kompozytowymi rodzi
kolejne pytania. Jaki jest wpływ zwiększonej temperatury okucia izolatora od strony zacisku przewodu na trwałość izolatora
kompozytowego i to zarówno przy obciążeniu statycznym, jak
i cyklicznym?
Polskie Sieci Elektroenergetycznie są obecnie inicjatorem
badań prowadzonych w tym zakresie wspólnie z Instytutem
Energetyki. Wstępne wyniki przeprowadzonych prób przez Instytut Energetyki na zlecenie PSE S.A., potwierdzają wpływ zwiększonej temperatury okucia na trwałość izolatora. Oczekiwać należy, że pozwolą one na sformułowanie odpowiednich zaleceń
w zakresie współpracy izolatorów kompozytowych z przewodami wysokotemperaturowymi.
Podsumowanie
Szerokie zastosowanie izolatorów kompozytowych wymaga doskonalenia kryteriów ich odbioru i weryfikacji badań. Propozycją nowych badań jest uwzględnienie działania siły cyklicznej na wytrzymałość izolatorów kompozytowych. Uwzględniono
to w nowej specyfikacji technicznej PSE S.A. „Kompozytowe izolatory wiszące do sieci 400 kV” (lipiec 2015 r.). Dalsze prowadzone badania powinny uwzględniać nowe zjawiska i spełniać coraz
lepsze kryteria jakościowe wpływające na trwałość użytkowania
tego typu izolatorów.
www.energetyka.eu
luty
2016