Wsporcze izolatory ceramiczne nazywane są izolatorami nieprzebijanymi, jednak w pewnych, określonych warunkach można doprowadzić do trwałego uszkodzenia pnia izolatora powodując jego całkowite zniszczenie.
Jest to jednym ze znormalizowanych badań obiektów elektroizolacyjnych stosowanych w energetyce. Warunki badania określają normy PN – EN 61211:2005 oraz PN – EN 60060 -1:2011.
Aby zaobserwować występowanie zjawiska przebicia izolatora ceramicznego należy zastosować specjalistyczny sprzęt umożliwiający uzyskanie impulsu napięciowego o bardzo dużej stromości narostu. Tego typu wzorcowane urządzenia są na stałym wyposażeniu Instytutu Elektrotechniki Oddział we Wrocławiu. W artykule przedstawiono metody badawcze związane ze zjawiskiem przebicia ceramicznego materiału elektroizolacyjnego jak i gotowych izolatorów średniego napięcia.
Wstęp
Wytrzymałość materiałów elektroizolacyjnych jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na bezawaryjność sieci elektroenergetycznych [1]. W tym celu poddawane są one bardzo restrykcyjnym testom zgodnie z obowiązującymi normami, zarówno krajowymi jak i europejskimi.
Izolatory elektroenergetyczne, wg normy PN – E – 02051:2002 [2], to układy konstrukcyjne przeznaczone do mechanicznego mocowania i elektrycznego izolowania elementów osprzętu elektrycznego lub przewodów, między którymi występuje różnica potencjałów. Stanowią one rodzaj izolacji bezpowietrznej z wykorzystaniem materiału izolacyjnego.
Rys. 1. Siedmiostopniowy generator napięć udarowych Haefely 700 kV, 35 kJ, stosowany do badań
Jednym z najważniejszych parametrów decydujących o jakości materiału izolacyjnego jest wytrzymałość elektryczna. Bada się ją zarówno przy napięciu przemiennym o częstotliwości sieciowej jak i przy napięciu udarowym piorunowym z wykorzystaniem generatorów napięć impulsowych (rys. 1). Przebieg udaru napięciowego jest znormalizowany. Czasy narostu i do półszczytu udaru piorunowego to 1,2/50 μs. Wartości napięć pomiarowych są określone dla rodzaju i typu izolatora.
Instytut Elektrotechniki Oddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu jest placówką naukowo – badawczą oferującą w ramach swoich prac wykonanie licznych testów i badań materiałów elektroizolacyjnych. Badane są materiały kompozytowe, ceramiczne i szklane. Zespół wykonujący testy wchodzi w skład Laboratorium Akredytowanego IEL (AB 067). Składa się on z kilkunastu pracowników naukowych, inżynieryjnych i technicznych.
Podczas badań wykorzystywane są specjalistyczne urządzenia, zarówno te wyprodukowane przez najbardziej znane firmy z branży aparatury wysokonapięciowej jak i wytrzymałości mechanicznej takie jak Haefely, TUR czy Instron oraz urządzenia i stanowiska badawcze skonstruowane i zbudowane w Instytucie. Wśród tych najbardziej unikatowych w skali kraju wymienić można komorę termomechaniczną do prób wytrzymałości mechanicznej w warunkach narażeń temperaturowych jak i komorę mgły solnej do prób odporności na wyładowania pełzne i erozję.
Badania materiałowe – wytrzymałość elektryczna
Kompleksowe badanie materiałów elektroizolacyjnych z jakich wykonane są izolatory może dać wiele informacji o jakości wyrobów oraz procesie technologicznym.
Weryfikacja jakości materiałów izolacyjnych grup C 110, C 120, C 130 itd. dokonywana jest wg polskich norm PN – EN 60672-2:2002 oraz PN – EN 60672-3:2002 [3, 4]. Pierwsza z nich określa metodykę badawczą, natomiast druga wytrzymywane parametry jakie muszą spełniać badane próbki.
Norma PN – EN 60672-2:2002 precyzuje między innymi jak poprawnie wykonać i ocenić wyniki sprawdzenia wytrzymałości elektrycznej i napięcia wytrzymywanego na próbkach porcelany elektrotechnicznej i szkła. Wymienione wyżej grupy porcelany określane są w zależności od ich wytrzymałości mechanicznej. Związane jest to głównie ze zwiększoną zawartością tlenku glinu w materiale izolacyjnym.
Przebicie materiałów w zależności od grubości odpowiednio przygotowanych próbek mówi nam jak duża jest wytrzymałość elektryczna materiału porcelanowego. Ma to bezpośrednie przełożenie na wytrzymałość gotowych izolatorów ceramicznych wykonanych z tak przebadanej porcelany elektrotechnicznej.
Dla przykładu, wytrzymałość elektryczna mas porcelanowych typu C 120 zgodnie z wymaganiami normy PN – EN 60672-3:2002 powinna wynosić nie mniej niż 20 kV/mm. Próbę należy przeprowadzić w otoczeniu medium nieprzewodzącego – oleju transformatorowego o rezystywności co najmniej 1010Ωm.
Przykład próbek materiału porcelanowego grupy C 120, przed jak i po badaniach wytrzymałości elektrycznej, przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2. Zdjęcia próbek materiału porcelanowego grupy C 120
a) przed badaniami bez naniesionych elektrod z lakieru przewodzącego b) po badaniach
Kolorem czerwonym zaznaczono miejsca, w których nastąpiło przebicie próbek. Wyznaczona wytrzymałość elektryczna spełniała wymaganie stawiane przez normę PN – EN 60672-2:2002 czyli przewyższała 20 kV/mm.
Zatem można było stwierdzić odpowiednią wartość badanego parametru i zgodność wyrobu z normą PN – EN 60672-3:2002.
Badania izolatorów – próba przebicia
Próby przebicia izolatorów ceramicznych wykonywane są zgodnie z normami PN – EN 61211:2005 oraz PN – EN 60060 -1:2011 [5, 6].
W uproszczeniu polega ona na przyłożeniu do główki oraz metalowego okucia badanego obiektu napięcia o bardzo stromym naroście. Wartość amplitudy zastosowanego udaru napięciowego powinna wynosić co najmniej dwukrotność pięćdziesięcioprocentowego napięcia przeskoku. Wyznaczenie 50% napięcia przeskoku można przeprowadzić kilkoma metodami. Jedną z najbardziej pospolitych jest metoda „góra – dół”. Polega na zwiększaniu i zmniejszaniu napięcia o stały krok napięciowy oraz rejestrowanie występujących zdarzeń – przeskoków napięciowych lub ich braku. Wykonanie kilkudziesięciu pomiarów umożliwia wykonanie przeliczeń występujących zdarzeń na danych poziomach napięcia na szukaną wartość napięcia 50 procentowego.
Próba przebicia izolatorów w sposób pośredni umożliwia sprawdzenie, czy nie występują znaczące defekty w materiale, powodujące, że wytrzymałość elektryczna pnia izolatora będzie mniejsza niż otaczającego powietrza. Takie warunki pomiaru mogą spowodować, że układ izolacyjny zostanie przebity. Ma na to wpływ wiele czynników. Najważniejsze z nich to przede wszystkim możliwe defekty w formie wtrąceń, bąble powietrzne, nieszczelności lub wilgoć na granicy faz materiałów (metalowego trzpienia i ceramicznego korpusu) itp. Biorąc pod uwagę charakterystykę udarową izolatorów czyli zależność napięcia przeskoku w funkcji czasu, można stwierdzić, że w przypadku wystąpienia wyżej wymienionych czynników i niezwykle szybkiego narostu napięcia (kilkaset nanosekund), wytrzymałość powietrza otaczającego obiekt będzie wyższa niż izolacji stałej.
Polska norma PN – EN 61211:2005 definiuje ilość próbek oraz udarów napięciowych jakie należy zastosować aby móc w sposób wiarygodny ocenić jakość badanych izolatorów.
Rys. 3. Przebicie części ceramicznej izolatora wsporczego
Przykład efektów przebicia na izolatorach ceramicznych przedstawiono na rysunku 3.
Wyraźna ścieżka przepływu prądu jest efektem przebicia na wskroś części ceramicznej. Napięcie przy jakim nastąpiło to zjawisko wynosiło ok. 300 kV, zaś czas narostu napięcia to 363 ns.
W trakcie kolejnych prób napięcie przyłożone do okuć izolatora spowodowało rozłupanie porcelany i uszkodzenie pnia badanego obiektu.
Tak precyzyjne pomiary napięć i czasów udarów napięciowych umożliwia dzielnik pojemnościowy
CS 700 – 500 (rys. 4) oraz system rejestracji napięć generatora udarowego. HiAS 743 to nowoczesny system pomiarowy, który regularnie jest wzorcowany w szwajcarskiej siedzibie laboratorium pomiarowego Haefely, w Bazylei.
Dzięki zastosowaniu nowoczesnego, precyzyjnego sprzętu można w sposób wiarygodny określić wytrzymałość elektryczną izolatorów elektroenergetycznych.
Na podstawie badań i obserwacji próbek producenci izolatorów mogą określić czy czystość technologiczna ich produkcji jest wystarczająca, czy brak jest defektów i wtrąceń a proces technologiczny jest optymalny tak aby materiał izolacyjny wytrzymywał duże natężenie pola elektrycznego.
Rys. 4. Dzielnik pojemnościowy
CS 700 – 500
Niezwykle istotne jest wykrycie defektów jak i wtrąceń, które mogą w znaczący sposób wpływać na wytrzymałość izolacji stałej. Najczęściej wymienione wady wpływają również w znaczący sposób na wytrzymałość mechaniczną badanych obiektów. Dlatego ze względu na definicję izolatora czyli jego elektryczną izolację i mechaniczne podtrzymanie lub wsparcie urządzeń będących pod napięciem należy wykonywać zarówno badania elektryczne jak i mechaniczne. Po próbie sprawdzenia wytrzymałości mechanicznej należy sprawdzić przełam czerepu pnia złamanego izolatora i ocenić jakość badanego materiału. Niestety aby w sposób właściwy ocenić przełom czerepu izolatora należy posiadać duże doświadczenie i wiedzę z dziedziny mechanizmów uszkodzeń ceramiki elektrotechnicznej.
Podsumowanie
Instytut Elektrotechniki Oddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu jest profesjonalną jednostką naukowo – badawczą posiadającą Laboratorium Akredytowane (AB067), które oferuje kompleksowe badania elektryczne, mechaniczne, termomechaniczne i wiele innych dotyczących materiałów elektroizolacyjnych. Badania w ramach prac zleconych z przemysłu jak i prace naukowe pozwalają na ciągłe doskonalenie konstrukcji oraz procesów technologicznych otrzymywania materiałów elektroizolacyjnych i izolatorów elektroenergetycznych.
Posiadane urządzenia i stanowiska badawcze umożliwiają niezwykle ciekawe i efektowne a przede wszystkim efektywne badania izolatorów.
W pełni przygotowany zespół swoją wiedzą i doświadczeniem jest w stanie w sposób wiarygodny i rzetelny wykonać kompleksowe badania materiałów elektroizolacyjnych, zarówno tych kompozytowych jak i ceramicznych i szklanych.
Przedstawione w publikacji testy przebicia materiałów elektroizolacyjnych oraz izolatorów elektroenergetycznych pozwalają producentom na uzyskanie wielu ważnych informacji dotyczących procesów technologicznych, konstrukcji jak i jakości oferowanych wyrobów.
Uzyskane sprawozdania Laboratorium Akredytowanego z badań wyrobów podnoszą jakość oferty dotyczącej izolatorów elektroizolacyjnych.
Krzysztof Kogut
Instytut Elektrotechniki Oddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu
Bibliografia
- Kogut, K. , Kasprzyk, K. , Zboromirska-Wnukiewicz, B., Przebiegi prądów i napięć podczas rozwoju wyładowań w układach z dielektrykiem stałym, Przegląd elektrotechniczny, 2012, R. 88, nr 5a, 139-142
- PN – E – 02051:2002 – Izolatory elektroenergetyczne – Terminologia, klasyfikacja i oznaczenia
- PN-EN 60672-2:2002 – Materiały izolacyjne ceramiczne i szklane – Część 2: Metody badań
- PN-EN 60672-3:2002 – Materiały izolacyjne ceramiczne i szklane – Część 3: Wymagania techniczne dla poszczególnych materiałów
- PN – EN 61211:2005 – Ceramiczne i szklane izolatory do linii napowietrznych o znamionowym napięciu powyżej 1000 V – Próby przebicia napięciem udarowym w powietrzu
- PN – EN 60060 -1:2011 – Wysokonapięciowa technika probiercza – Część 1: Ogólne definicje i wymagania probiercze
