Odporność izolatorów kompozytowych na narażenia mechaniczne
Transkrypt
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