Главная  Публикации  Биологическая атака на полимерные изоляторы: решение проблемы.
Биологическая атака на полимерные изоляторы: решение проблемы.
06.08.2013
При выполнении технического обследования ряда подстанций в районе Карельского перешейка и Южной Карелии обнаружен аномальный характер загрязнения опорных полимерных изоляторов классов напряжения 35 и 110 кВ в виде отдельных пятен на их поверхности. В ходе исследований обнаружена микологическая природа загрязнений. Разработаны рецептуры и выполнены испытания устойчивых к микологическому загрязнению силиконовых материалов защитного покрытия.

Высоковольтная полимерная изоляция в настоящее время интенсивно внедряется в энергосистемы практически всех стран мира. Применение полимерных изоляторов вместо фарфоровых позволяет повысить надежность подстанций, однако требует учета специфических свойств полимерных материалов, проявляющихся при длительной эксплуатации.
Биологические загрязнения.
В качестве примера можно указать на биологические загрязнения, которым подвергаются опорные полимерные изоляторы (ПИ) в некоторых районах Южной Карелии, на территории, ограниченной Финским заливом Балтийского моря и Ладожским озером к северу от Санкт-Петербурга [1,2], а также в других регионах РФ и районах по всему миру.
В процессе эксплуатации в системе ОАО «Карелэнерго» было замечено, что с течением времени установленные опорные ПИ покрываются загрязнениями, состоящими из отдельных пятен чёрного цвета диаметром до 20 мм (рис.1).
С целью анализа природы наблюдаемых аномальных загрязнений было выполнено мик‑
рофотографирование загрязненных участков поверхности с помощью микроскопа. Результаты микрофотографирования показаны на рис.2,3. Полученные микрофотографии позволили определить некоторые детали структуры пятен. Видно, что все исследованные пятна представляют собой плотное центральное тело диаметром до 15-20 мм, на краях которого отчётливо имеются множественные тонкие нити длиной до нескольких миллиметров, отходящие от центра в радиальном направлении. Это – характерная картина колонии микромицетов, причём наблюдаемые нити являются мицелием, а плотное центральное тело является многослойной структурой, также состоящей из подобных нитей. Сопоставление рис. 2,3 с образцами колоний микромицетов из коллекции Ботанического института позволяет отметить их видимое сходство.
Для проверки сделанного предположения о грибковой природе аномальных загрязнений была выполнена микологическая экспертиза, в ходе которой из наблюдаемых на изоляторах загрязнений были выделены микроскопические грибы родов Aureobasidium, Exophiala, Torula.
Кроме того, в качестве обязательного элемента стандартной процедуры микологической экспертизы, было осуществлено выращивание выделенных грибковых культур на чистых участках защитного покрытия. Полученные колонии вполне схожи с пятнами загрязнений, возникающих в процессе эксплуатации. Это доказывает, что именно перечисленные выше грибы являются причиной повышенной загрязняемости изоляторов, размещенных в зоне повышенной влажности и умеренного климата на побережье Ладожского озера, являющегося крупнейшим в Европе пресноводным водоемом.
В настоящее время отсутствует какая-либо информация о снижении эксплуатационных характеристик полимерных изоляторов, связанном с грибковым поражением. В частности, отсутствует информация о повышенной интенсивности перекрытий загрязненных изоляторов. Единственным указанием на отличие загрязненные изоляторов от «чистых» является только факт появления загрязнений, но не повышенная аварийность, связанная с перекрытиями.
Это подтверждается [1,2] успешно выполненными высоковольтными испытаниями загрязненных изоляторов по ГОСТ Р 52082 [3], а также поверхности защитного покрытии по ГОСТ 27474-87 [4].
Причины повышенной биологической активности на поверхности ОПИ.
Наиболее вероятной причиной повышенной биологической активности на поверхности ОПИ представляется высокая влагопроницаемость силиконовой резины [5]. В [5] приведены значения коэффициента влагопроницаемости W различных материалов, в том числе кремнийорганической резины. Коэффициент влагопроницаемости W численно определяется как масса воды, прошедшей в единицу времени через единицу площади при единичных толщине и перепаде давления водяных паров. Следует обратить внимание на большое
значение коэффициента влагопроницаемости кремнийорганической резины, указанное в [5] и составляющее 20•10-8 г/(см•ч•мм рт.ст.), что почти в 70 раз больше, чем у полиэтилена (0.3•10-8 г/(см•ч•мм рт.ст.)).
В [6] описаны специальные эксперименты, результаты которых при толщине образца 2 мм
позволили определить среднее значение коэффициента влагопроницаемости на уровне 88.0•10-8 г/(см•ч•мм рт.ст.)=0.66•10-3 г/(см•ч•бар)=6.60•10-9 г(/см•ч•Па). Это приблизительно в 4 раза больше величины, приведенной [5]. Полученное расхождение можно объяснить изменением состава резины (данные [5] получены более 30 лет назад), различными условиями выполнения эксперимента, а также тем, что в предлагаемой работе измерения выполнены не на тонких пленках, а на образцах толщиной 2 мм. При толщине образцов 6.0 мм коэффициент влагопроницаемости согласно [6] оценивается величиной 171•10-8 г/(см•ч•мм рт.ст.)= 1.28•10-3 г/(см•ч•бар)= 12.8•10-9 г(/см•ч•Па). Как видно, эта величина в два раза больше средней оценки влагопроницаемости образцов толщиной 2 мм.
Высокая влагопроницаемость защитных покрытий из кремнийорганической резины обеспечивает выход запасенной влаги на поверхность изолятора из толщи материала и создание на поверхности условий, благоприятных для развития грибов даже в сухой период.
Причиной фиксации зародышей грибов на поверхности ПИ может быть наличие выраженного микрорельефа. Фотографирование с помощью микроскопа показывает, что поверхность защитного покрытия изоляторов может иметь сложную, неоднородную структуру [7]. Это связано, главным образом, с недостаточно высоким качеством поверхности формы для отливки ребра. Наличие выраженного микрорельефа и неоднородность структуры поверхности создают предпосылки для начала роста микроскопических грибов.
В качестве возможного фактора, благоприятствующего росту грибов на полимерном материале, можно указать на низкую теплопроводность кремнийорганической резины. Поверхность полимерного изолятора при прикосновении ощущается как «теплая», то есть препятствует интенсивному отбору тепла от руки человека. В условиях северного климата это позволяет поверхностному слою нагреваться даже при кратковременном и слабом нагреве солнечными лучами, что обеспечивает грибам условия, благоприятные для жизнедеятельности.
Влияние указанных факторов на появление грибковых загрязнений поверхности полимерных изоляторов косвенно подтверждается отсутствием аналогичных загрязнений на фарфоровых изоляторах, размещенных в непосредственной близости от полимерных. Гладкая поверхность фарфора не позволяет закрепиться зародышам грибков и не позволяет грибкам формировать устойчивую связь с поверхностью. В результате даже формирующиеся и растущие колонии грибов смываются при естественном увлажнении. В целом, общий уровень загрязняемости фарфоровых опорных изоляторов значительно ниже, чем у ПИ при наличии грибкового поражения.
Как указано в [1], в процессе жизнедеятельности микроскопические грибы способны выделять слабые кислоты, что может привести к частичному разрушению поверхности изолятора. При механической очистке на поверхности некоторых изоляторов остаются черные точки не снятых загрязнений. При более внимательном рассмотрении можно видеть, что загрязнения в этих местах погружены в материал ребра на глубину до 100 мкм как это видно на рис.4, 5 или развиваться поверхностно, не вызывая заметного разрушения материала защитного покрытия и не внедряясь в него, как это показано на рис.6, 7. Особенности пространственного расположения микромицетов по поверхности силиконового материала могут быть обусловлены как особенностями развития видов (т.е. видовым составом) так и сроком развития микромицетов в локальном местообитании, а также типом силикона.
Разработка защитных покрытий, устойчивых к биологическим загрязнениям.
Как показали выполненные исследования, наличие биологических загрязнений не снижает уровня изоляции полимерных изоляторов с силиконовым защитным покрытием. Анализ информации, поступающей в результате накопленного опыта эксплуатации за рубежом, также указывает на отсутствие влияния биологических загрязнений на эксплуатационные характеристики полимерных изоляторов данного типа. Это дает основание рекомендовать дальнейшую эксплуатацию таких изоляторов с контрольной проверкой с периодом 3-5 лет.
Тем не менее, сказанное позволяет также рекомендовать разработку специальной резины для изготовления защитного покрытия изоляторов, содержащей биологически активные, препятствующие развитию грибов присадки (фунгициды). Основанием для такой разработки является отмеченная выше высокая влагопроницаемость силиконовой резины. Это позволяет рассчитывать на длительный вынос фунгицида из толщи материала на поверхность вместе с диффундирующими молекулами воды, что обеспечивает постоянное длительное воздействие фунгицида на оседающие из воздуха зародыши грибов.
В настоящее время авторами разработаны рецептуры кремнийорганических резин с двумя различными фунгицидными добавками, которые прошли испытания в соответствии с ГОСТ 9.048-89 ЕСЗКС [8]. Полученные результаты иллюстрированы рис.8-11, на которых показаны образцы силиконового герметика и резины в ходе испытаний на грибостойкость. На фотографии показаны образцы резины с добавкой различных фунгицидов М и Т, размещенные в чашках Петри в агаризированной среде Чапека, зараженной суспензией спор грибов. В ходе экспериментов использованы концентрации фунгицидов от 0.5% до 5% по массе.
На рис.8-10 показаны образцы, представляющие собой замес нейтрального силиконового герметика JET PRO Silicone 100N Neutral. Образцы на рис.8-9 не содержат наполнителя, образец рис.10 содержит тригидрат алюминия в количестве 20%.
Образец на рис.11– замес сырой резины HTV, обычно используемой для изготовления защитных покрытий полимерных изоляторов с содержанием тригидрата алюминия более 60%.
Все образцы были размещены в чашках Петри поверх слоя питательной среды Чапека, активированной спорами грибов. В ходе длительных испытаний периферийная часть питательной среды покрыта сплошным слоем колоний грибов Penicillium cyclopium или Ulocladium sp., в то время как образцы и окружающее пространство свободны от них. Область потемнения вблизи образцов покрыта красящим пигментом, выделяемом грибами.
За время испытаний (более 7 недель) споры грибов превратились в колонии, однако не перешли на поверхность резины.
Все образцы перед размещением в питательной среде прошли нагревание до 160оС в течение 15 мин. Эта процедура имитирует процесс вулканизации сырой резины при нанесении на тело полимерного изолятора. Как видно на рис. 8-11 при этом активность использованного фунгицида не была потеряна, что даёт основание для рекомендации использования найденной рецептуры при промышленном изготовлении изоляторов.
Несмотря на то, что исследования свойств грибостойкой резины в настоящее время продолжаются, полученные результаты явно указывают на возможность применения такой резины и эффективность найденных фунгицидов.
Поскольку биоцидное действие фунгицидных добавок на поверхности изолятора связано с выходом фунгицида на поверхность с последующим его вымыванием, количество содержащегося в резине фунгицида с течением времени будет постоянно уменьшаться. С учетом этого обстоятельства представляет интерес оценить длительность действия фунгицидных добавок. Это возможно на основании известных оценок скорости вымывания фунгицидов из резины на уровне 10 мг/(м2∙сутки)= 0.365 мг/(см2∙год).
Действительно, масса участка покрытия из силиконовой резины площадью 1 см2 и толщиной 5 мм составляет 1см2∙0.5 см∙1.47 г/см3=730 мг.При концентрации 0.5 % в этом участке защитного покрытия содержится 5∙10-3∙1.47=7.3∙10-3 г=7.3 мг фунгицида. При указанной скорости вымывания это позволяет оценить длительность выхода фунгицида на поверхность величиной 7.3/0.365=20 лет. Более точная оценка возможна только после экспериментального уточнения интенсивности потери фунгицида в реальных условиях эксплуатации.
Выводы.
1. Микрофотографический и микологический анализ загрязнений на поверхности полимерных изоляторов указывает на то, что причиной повышенной загрязняемости изоляторов в районе Карельского перешейка и Южной Карелии является рост колоний микроскопических грибов Exophiala, Aureobasidium, Torula.
2. Выполненные высоковольтные испытания показали отсутствие снижения эксплуатационных характеристик полимерных изоляторов, подвергшихся биологическим загрязнениям, эксплуатация их может быть продолжена.
3. Высокая влагопроницаемость силиконовой резины создает предпосылки для эффективного действия фунгицидных добавок.
4. В ходе настоящей работы найдены рецептуры и выполнены испытания материала защитного покрытия, содержащего биологически активные фунгицидные добавки, затрудняющие развитие грибов.
Литература.
1. Кирцидели И.Ю., Соловьев Э.П., Ярмаркин М.К. Опорные полимерные изоляторы. Биологическая атака. «Новости электротехники», №2 (56), 2009, с.58-61
2. Любимов В., Соловьев Э.П., Старцев В., Шувалов М.Ю, Ярмаркин М.К. Опыт эксплуатации полимерных опорных изоляторов. «Энерго-Info», №4, апрель, 2009 г., с.78.
3. ГОСТ Р 52082 Изоляторы полимерные наружной установки на напряжение 6-220 кВ.
4. ГОСТ 27474-87. Материалы электроизоляционные. Методы испытания на сопротивление образованию токопроводящих мостиков и эрозии в жестких условиях окружающей среды.
5. Михайлов И.М. Влагопроницаемость органических веществ. Госэнергоиздат, М.,Л., 1960 г., 162 с.
6. Ярмаркин М.К. Почему гибнут полимерные изоляторы: влагопроницаемость. «Энерго-Info», №12, декабрь, 2009 г., с.68-74.
7. Исаев Ю.В., Кирцидели И.Ю., Соловьев Э.П., Шувалов М.Ю., Ярмаркин М.К. Микроструктурный анализ поверхности полимерных изоляторов высокого напряжения. «Энерго-Info», №5, май, 2009 г., с.68-75.
8. ГОСТ 9.048-89 ЕСЗКС. Изделия технические. Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов