Izolatory w ogniu

Streszczenie

Pożary mogą mieć wiele przyczyn. Linie napowietrzne często po prostu znajdują się na drodze pożaru i w tym przypadku kluczowe jest zrozumienie, co może stać się z linią i jej elementami. Oprócz ryzyka wystąpienia fazowych zwarć doziemnych, wynikających z intensywnej aktywności łuku w chmurze dymu i ciepła, najważniejszym parametrem jest odporność, a wielkość uszkodzeń linii jest bezpośrednią konsekwencją konstrukcji linii. Napowietrzne linie dystrybucyjne są oczywiście znacznie bliżej pożarów niż linie przesyłowe i dlatego są znacznie bardziej narażone na uszkodzenia cieplne. Z tego względu drewniane słupy są wyraźnie identyfikowane jako słabe ogniwo, ale krytycznym elementem mogą stać się również izolatory. Nawet w przypadku linii przesyłowych wpływ ciepła może być znaczny, ale niekoniecznie natychmiast widoczny w krótkim okresie. Niektóre specyficzne cechy fizyczne izolatorów linii napowietrznych muszą być jasno określone i wzięte pod uwagę w celu oceny ryzyka awarii linii podczas pożaru albo awarii, która może się pojawić po latach w wyniku osłabienia izolatorów, które przetrwały pożar.

• 

• 

• 

• 

• 

Innym aspektem tego problemu jest przegląd cech konstrukcyjnych izolatorów, oceniający ryzyko, że to izolatory będą stanowić zagrożenie wywołujące pożary w normalny dzień. Awarie izolatorów mogą prowadzić do upadku przewodów fazowych, a następnie wywołania pożarów i sytuacji katastrofalnych. Dotyczy to zarówno linii dystrybucyjnych, jak i przesyłowych. Wzmacnianie sieci oznacza znalezienie bardziej wytrzymałych konstrukcji linii i izolatorów.

Niniejszy artykuł uwzględniający doświadczenia z pożarów w Kalifornii, ma pomóc w ocenie, co można zrobić inaczej, a co należy zmienić przy doborze izolatorów.

• 

• 

Wprowadzenie

Kwestię izolatorów w warunkach pożaru można rozpatrywać w wielu różnych aspektach. Z jednej strony interesujące jest zrozumienie, które parametry mogą ulec pogorszeniu lub krytycznemu pogorszeniu, jeśli izolator zostanie poddany działaniu ciepła i ognia, co samo w sobie zależy od czasu ekspozycji oraz oczywiście rodzaju i konstrukcji izolatora.

• 

• 

• 

• 

Z drugiej strony, co jest być może trudniejsze, należy wziąć pod uwagę potencjalne uboczne uszkodzenie izolatora, który znalazł się niekoniecznie bezpośrednio pod działaniem ognia, ale wystarczająco blisko, aby ucierpieć z powodu ciepła. W tym przypadku, oprócz bezpośredniego ryzyka uszkodzenia związanego z ciepłem, niezwykle ważne jest, aby móc ocenić ewentualne osłabienie powstałe w izolatorze, które może być główną przyczyną zerwania przewodów, a później pożaru. Pewne rozważania będą poświęcone także projektowi linii, zwłaszcza w zakresie słupów dystrybucyjnych i rodzajów izolacji. Niniejszy artykuł będzie zatem dotyczył poniższych aspektów:

• a. Identyfikacja wrażliwości na ciepło i ogień dla typowych konstrukcji izolatorów stosowanych w napowietrznych liniach dystrybucyjnych i przesyłowych
• b. Pogorszenie właściwości izolatora po poddaniu go działaniu ciepła, gdy po pożarze izolator nadal działa
• c. Sugestie dotyczące wzmocnienia linii dystrybucyjnych i przesyłowych z punktu widzenia stosowanych izolatorów

1. Przegląd kluczowych cech konstrukcyjnych izolatorów linii napowietrznej pod kątem odporności termicznej

Podczas pożaru temperatury mogą ulegać gwałtownym wahaniom, trudno jest dokładnie określić temperaturę bezpośredniego kontaktu z ogniem oraz czas trwania zdarzenia. Dlatego w tej części przyjrzymy się kluczowym właściwościom izolatorów polimerowych i ceramicznych, na które wpływa ciepło, w oparciu o ich cechy konstrukcyjne.                                            

a. Izolatory kompozytowe występują w wielu różnych wersjach (rysunek 1) i są wykonane z materiałów organicznych, które w związku z tym mają ograniczenia temperaturowe. Różnorodność możliwych projektów i materiałów użytych do wykonania tych izolatorów dramatycznie zwiększa złożoność ich długoterminowej oceny. Istnieją trzy główne cechy konstrukcyjne, które należy przeanalizować, jak opisano poniżej i sprawdzono szczegółowo w części 2.

• Pręt z włókna szklanego jest wykonany z żywicy wzmocnionej włóknami szklanymi. Żywice stosowane do izolatorów mogą być poliestrowe, winyloestrowe lub epoksydowe. Najsilniejsze i najlepiej działające są te wykonane z żywic epoksydowych. Żywice są definiowane przez nastawę termiczną zwaną Tg (temperatura zeszklenia), powyżej której żywica stopniowo traci swoją wytrzymałość mechaniczną. Tę charakterystykę można ustalić metodą DSC (Differential Scanning Calorimetry-Skaningowa Kalorymetria Różnicowa). Mechaniczne osłabienie granicy między włóknami szklanymi a żywicą w pręcie (klucz do wytrzymałości mechanicznej) można również zmierzyć za pomocą testu wytrzymałości na skręcanie na małym kawałku wyciętym z pręta. Rysunek 2 przedstawia sprzęt badawczy oraz wyniki uzyskane z dostępnych w handlu prętów z włókna szklanego stosowanych do produkcji izolatorów kompozytowych. Odporność mechaniczna próbek zmniejsza się wraz z temperaturą. Wrażliwość na ciepło jest bezpośrednio wynikiem składu chemicznego samej żywicy.                             
• Osłona, zazwyczaj guma silikonowa, jest materiałem przeznaczonym do kredowania, a nie do palenia (w większości przypadków). Kauczuki silikonowe istnieją w wielu postaciach chemicznych, ale najpopularniejsze związki silikonowe zawierają wypełniacz zmniejszający palność, taki jak ATH (trójwodzian aluminium). Dla odporności na erozję i tworzenie ścieżek, ilość tego dodatku w silikonie wynosi zwykle powyżej 45% i można ją zmierzyć za pomocą analiz termograwimetrycznych (TGA). Rysunek 3 przedstawia wykres uzyskany za pomocą analizy TGA dla gumy silikonowej. Spadek masy podczas testu jest typowy dla utraty wody z cząsteczki ATH podczas ogrzewania. Normalnie ATH rozkłada się w około 250 °C (482 F). Guma silikonowa wystawiona na działanie wysokiej temperatury będzie miała białą, proszkową powierzchnię, jak pokazano na rysunku 4.                        
• Okucia nowoczesnych izolatorów kompozytowych są zwykle zaciskane przez zaprasowanie (podobnie jak końcowki kablowe). Cechą szczególną tego procesu jest zapewnienie odpowiedniego docisku przez okucie izolatora (wykonane ze stali, żeliwa lub aluminium), aby zapewnić wystarczający zacisk na pręcie z włókna szklanego, które nie jest metalem. Aby uniknąć odprężenia termicznego podczas formowania silikonowej osłony na rdzeniu, okucia są zwykle zaciskane po naniesieniu osłony. Rysunek 5 przedstawia ten proces i rozkład naprężeń ściskających w pręcie, który należy zabezpieczyć przed wszelkimi uszkodzeniami, takimi jak pęknięcia podczas zaciskania (jest to nadal krytyczna operacja pomimo stosowania czujników ściskania przeznaczonych do sterowania procesem)

• 

• 

b. Izolatory porcelanowe poza okuciem (kołpak z żeliwa i trzpień ze stali kutej) są wykonane z materiałów mineralnych. Cement jest albo cementem glinowym, albo (zazwyczaj) cementem portlandzkim. Spoiwo zazwyczaj nie jest wykonane z czystego cementu, ale z zaprawy zawierającej krzemionkę (piasek) i inne minerały. Stabilność cementu w zależności od temperatury jest wysoka, a wytrzymałość takiego połączenia wynika głównie z konstrukcji okucia i sprzężenia współczynników rozszerzalności cieplnej między okuciem, cementem i korpusem porcelanowym. Rysunek 6 przedstawia współczynniki rozszerzalności liniowej typowych porcelanowych elementów izolacyjnych. Specyfika korpusu porcelanowego związana jest z jego niejednorodną strukturą porcelany, która zawiera kryształy o różnych właściwościach. Prowadzi to do nieodłącznego starzenia się dielektryka z możliwymi przebiciami w wyniku propagacji pęknięć wewnętrznych (rysunek 7). Ten parametr należy wziąć pod uwagę przy odporności na obciążenia cieplne (więcej w części 2)

c. Izolatory ze szkła hartowanego są montowane jak izolatory porcelanowe z cementem (zwykle cementem glinowym, ale czasami portlandzkim), ale nie mają żadnej mikrostruktury, a oddziaływanie współczynników rozszerzalności cieplnej jest bardziej jednorodne, co pokazano na rysunku 6. Szkło jest hartowane ze względu na wytrzymałość, a naprężenia powstałe w obszarze dielektryka stanowią równowagę sił ściskających i rozciągających (rysunek 8). Warstwa mechaniczna wytworzona przez operację hartowania sprawia, że szkło jest odporne na propagację pęknięć lub przebicie. Izolator ze szkła hartowanego nie zerwie się, nawet jeśli zostanie poddany nadmiernym zewnętrznym siłom. W tym przypadku izolator szklany staje się tzw. „resztką” (rysunek 9), której właściwości elektromechaniczne pozostają nienaruszone (brak wewnętrznego przebicia i wysoka wytrzymałość resztkowa). Pod wpływem ciepła szkło może ulec powierzchniowym odpryskom lub pęknąć, jeśli zostanie poddane nagłej i wysokiej temperaturze. Ważne jest, aby zrozumieć, że naprężenie w kloszu powstałe w procesie hartowania jest trwałe, chyba że powłoka szklana zostanie wystawiona na stałą temperaturę 700°C (1300F) przez okres 6 godzin lub dłużej, co nie nastąpi, ponieważ izolator pęknie w temperaturze około 400F pozostawiając kikut, który pozostaje zdrowy. W następnej części takie właściwości zostaną szczegółowo opisane.

2. Badania wytrzymałości na ciepło dla różnych konstrukcji izolatorów

a. Izolatory polimerowe: Kombinacja zaciskania okucia na pręcie z włókna szklanego, który sam w sobie jest wrażliwy na ciepło (patrz rysunek 2) może być uznawana jako słaby punkt w warunkach wysokiej temperatury. Aby to sprawdzić przeprowadzono testy różnych izolatorów kompozytowych (głównie dla sieci dystrybucyjnych). Próbki umieszczono w piecu na 3 godziny i poddano próbie rozciągania, gdy były jeszcze gorące, aż do wystąpienia awarii. Rysunek 10 przedstawia znormalizowane wyniki z odniesieniem w 100% odpowiadającym ich ocenom. Widać wyraźnie, że wraz ze wzrostem temperatury wytrzymałość szybko spada poniżej projektowanego codziennego obciążenia linii.

Dodatkowy test przeprowadzono z izolatorami wystawionymi na działanie temperatury 300°C (572F) przez krótkie okresy. Rysunek 11 pokazuje ponownie znormalizowaną wytrzymałość w odniesieniu do wartości znamionowych izolatorów. Wydaje się, że bardzo szybko (w mniej niż 30 minut) wytrzymałość spada do 30%-40%, co wiąże się z poważnym ryzykiem upadku przewodów w przypadku napotkania takich obciążeń.

W większości przypadków rdzeń wysuwa się z okucia, jak pokazano na rysunku 12. Warto zauważyć, że najlepsze wartości (ale nadal bardzo słabe wyniki) uzyskuje się w przypadku okuć kutych i prętów z włókna szklanego, które mają bardzo wysoką wartość Tg. > 180 °C,
360F). Ta sekwencja testowa wykazuje duże ryzyko upadku przewodów w przypadku izolatorów polimerowych wystawionych na działanie wysokich temperatur. W pewnym momencie nie wytrzymają one codziennych normalnych obciążeń.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

b. Izolatory porcelanowe przeszły podobny test z różnymi izolatorami umieszczonymi w piecu na 3 godziny przed testem rozciągania. Biorąc pod uwagę ryzyko przebicia porcelany, odpowiednim testem w tym przypadku jest test ANSI M&E. Wiele izolatorów uległo uszkodzeniu z widocznymi lub nie pęknięciami. Zgodnie z oczekiwaniami, różnica w rozszerzalności między komponentami sprzyja tego typu uszkodzeniom. Jednakże, chociaż większość badanych izolatorów przetrwała naprężenia mechaniczne bez separacji poniżej wartości znamionowej, większość z nich zawiodła elektrycznie z powodu wewnętrznych przebić niewidocznych z zewnątrz. Pokazuje to, że gdy izolatory porcelanowe mają bezpośredni lub pośredni kontakt z wysoką temperaturą, istnieje duże ryzyko pojawienia się ukrytych wad w izolacji linii energetycznej. Rysunek 13 przedstawia wyniki testów M&E, a rysunek 14 typowy wygląd izolatorów po teście.

Można zauważyć, że chociaż te wyniki pokazują tylko uszkodzenia M&E, stare izolatory porcelanowe mające już głębsze i starsze pęknięcia wewnątrz, w tak niekorzystnych warunkach, mogą doprowadzić do zerwania łańcucha, co może skutkować opadnięciem przewodów (symulacja w teście termomechanicznym, jak pokazano na rysunku 15). Sam cement (w rzeczywistości zaprawa) nie wykazuje określonej wrażliwości na ciepło. Odwodnienie cementu może powodować lekkie kruszenie, ale zgodnie z konstrukcją głowica pracuje pod naciskiem, co prowadzi do efektu klina. Wszystkie testowane izolatory zmontowano cementem portlandzkim. Rozdzielenie głowicy jest wynikiem pęknięcia korpusu porcelany na dwie części.           

c. Izolatory ze szkła hartowanego zostały przetestowane tą samą procedurą. Izolatory były wstępnie ogrzewane w piecu przez 3 godziny, ale w tym przypadku aż do 400°C (752F), ponieważ, jak pokazano na rysunku 16, niewiele się działo. (Szkło hartowane nie ma przebić, a zgodnie z ANSI wykonuje się tylko test mechaniczny, a nie mechaniczno-elektryczny, gdyż  szkło hartowane nie powoduje pęknięć, ale się rozpada). Test został przeprowadzony przy maksymalnej temperaturze pieca.

W kilku przypadkach szkło pękło przed mechaniczną separacją, ale we wszystkich pozostałych uszkodzenie polegało na pęknięciu jednej z końcówek, zwykle trzpienia, jak pokazano na rysunku 17. Warto również zauważyć, że podczas gdy wszystkie wyniki wydają się bardzo stabilne, najniższy pomiar uzyskano z cementem portlandzkim. Bez wystarczającej liczby próbek trudno wyciągnąć wnioski na temat wpływu cementu, ale warto pamiętać, że cement glinowy jest lepszym materiałem ogniotrwałym niż portlandzki.

• 

• 

Ponieważ szkło hartowane może pęknąć, przeprowadzono dodatkowy test na prętach, które również zostały podgrzane i przetestowane na rozciąganie. Rysunek 18 przedstawia znormalizowane wyniki testu. Wszystkie tryby awarii były identyczne z wyrywaniem trzpienia i wyjęciem cementu za pomocą trzpienia z wnętrza okucia izolatora, jak pokazano na rysunku 19. Wszystkie wartości pozostają powyżej 65% ich wartości początkowej, co jest wymagane w ANSI dla nowych izolatorów przetestowanych pod kątem wytrzymałości resztkowej.

3. Wnioski po pożarze

W poprzedniej części przeanalizowaliśmy czynnik ryzyka opadnięcia przewodów lub poważnej awarii związanej z izolatorem podczas pożaru. Na tym etapie wiemy, że izolator polimerowy najprawdopodobniej może pęknąć, a przewód fazowy opaść. Porcelana, rzadziej, chyba że izolatory są stare. Szkło nie stwarza żadnego ryzyka, ani nienaruszone, ani pęknięte („resztka”). Kolejne pytanie dotyczy zarządzania liniami z punktu widzenia eksploatacji po zakończeniu pożaru. Czy istnieje ryzyko pozostawienia izolatorów, które wcześniej znajdowały się w pobliżu źródła ognia i były poddawane działaniu ciepła?

Jak pokazano wcześniej, izolatory porcelanowe nie zregenerują się po degradacji i w przypadku przebicia będą ponosić potencjalną odpowiedzialność za przyszłą żywotność linii. Szklane izolatory są prawie całkowicie odporne, a jedyną zmianą może być rozbicie kilku jednostek. Jest to łatwe do wykrycia i nie stanowi zagrożenia (bolce „resztki” utrzymują swoją wytrzymałość mechaniczną i nie są przebite elektrycznie).

Izolatory kompozytowe są różne, ale istotna jest odpowiedź na dwa pytania:

• Jaka jest wytrzymałość mechaniczna polimeru, który przetrwał ciepło po ostygnięciu?
• Jaki jest stan silikonowej obudowy i czy istnieje ryzyko pozostawienia ich na linii?

a. Wytrzymałość mechaniczna polimerów po schłodzeniu

Pytanie, jakie pozostało po zbadaniu zachowania się polimerów pod wpływem ognia, to poznanie ich wytrzymałości resztkowej po ostygnięciu. Testy wykonano na izolatorach, które wcześniej poddano działaniu ciepła utrzymywanego przez 2 godziny w 300°C (572F).

• 

Wyniki przedstawione na rysunku 20 mieszczą się w przedziale 20%-30% wytrzymałości znamionowej. Wynik ten można porównać z wynikami dla potłuczonego szkła („resztek”), znacznie przekraczającymi standardowe wymagania dotyczące wytrzymałości resztkowej.

b. Permanentna degradacja obudowy i związane z tym ryzyko

W części 1 opisaliśmy chemiczny mechanizm ochrony oferowanej przez ATH (trójwodzian aluminium) w związkach silikonowych. Głównym celem nie jest opóźnianie palenia, nawet jeśli zastosowana substancja chemiczna jest sklasyfikowana jako taka. Główną cechą dodatku tego wypełniacza jest spowolnienie erozji silikonu podczas przeskoku na sucho lub działań związanych z zanieczyszczeniem. W pewnym momencie guma ulegnie awarii, prowadząc do pęknięć rdzenia (rysunek 21). Oczywiście guma nie pali się, a wiele związków stosowanych w energetycznych liniach napowietrznych jest klasyfikowanych jako HB i V0 w normie IEC60695, ale gdy pojawią się pęknięcia, izolator jest skazany na uszkodzenie elektryczne (ścieżki wewnętrzne) lub mechaniczne (kruchy przełam, pęknięcie próchnicowe). Ważne jest również, aby wziąć pod uwagę istnienie kwasu siarkowego i innych kwasów związanych z ogniem, które stopniowo niszczą rdzeń izolatora. W większości przypadków takie uszkodzenia nie są łatwe do zauważenia wizualnie, jak pokazano w kilku przypadkach przedstawionych na rysunku 21.

• 

• 

Podsumowanie

Wyniki tego badania wskazują typowe słabe i mocne strony różnych konstrukcji izolatorów:

Wytrzymałość mechaniczna izolatorów kompozytowych szybko spada, co prowadzi do poważnego ryzyka upadku przewodów pod wpływem ciepła lub znacznego zmniejszenia wytrzymałości po zakończeniu pożaru

Degradacja obudowy izolatorów kompozytowych pod wpływem ciepła i ognia może naruszyć integralność obudowy, prowadząc do wnikania wilgoci i kwasów. Przyszłe awarie i upadki przewodów po wygaszeniu pożaru mogą wystąpić, jeśli te małe pęknięcia nie zostaną zauważone, a izolatory nie zostaną wymienione.

• Izolatory porcelanowe „nie upuszczą przewodu”, chyba że są już stare i postarzone w swojej mikrostrukturze. Jednak duży rozrzut pomiędzy współczynnikami rozszerzalności cieplnej elementów izolatorów porcelanowych może doprowadzić do przebić lub pęknięć wewnętrznych niewidocznych podczas oględzin.
• Izolatory ze szkła hartowanego nie tracą swoich właściwości. Jeśli szok termiczny stłucze szkło, pozostała „resztka” pozostaje mechanicznie bezpieczna nawet w wysokiej temperaturze. Kontrola wizualna jest widoczna po pożarze bez konieczności pilnej wymiany.

Autorzy: Jean Marie George –
Scientific Director, Sandrine Prat –
PhD Research Manager
(Centrum Badawcze Sediver)

W razie pytań zapraszamy do kontaktu z przedstawicielem Sediver w Polsce – EnerVision Sp.J. (office@enervision.pl)