Як ізолятор запобігає електричним відмовам

Основні механізми електричної ізоляції ізолятора

Блокування протікання струму за рахунок високої питомої електричної опорності та структури забороненої зони

Ізолятори запобігають електричним несправностям, оскільки блокують проходження струму завдяки властивостям їхніх природних матеріалів. Ці матеріали мають дуже високий електричний опір, зазвичай понад 10^10 Ом·м, що робить надзвичайно складним рух електронів крізь них. Це відбувається через так звану електронну заборонену зону, ширина якої зазвичай перевищує 5 електрон-вольт. Коли така зона існує, валентні електрони просто не можуть перейти у зону провідності під час роботи при звичайних напругах, тому заряди фактично «закріплюються» й не рухаються. Порцелянові ізолятори з суцільними серцевинами та різні полімерні типи працюють саме на цьому принципі, утримуючи витоки струму навіть під тривалим впливом напруги. Щоб ще більше покращити експлуатаційні характеристики, виробники створюють щільні кристалічні структури в керамічних матеріалах або використовують сітчасті полімери, які обмежують рух іонів. Для порівняння: питомий опір міді становить приблизно 10^-8 Ом·м. Це означає, що ізоляційні матеріали за своєю природною здатністю припиняти проходження електричного струму перевершують мідь приблизно на 18 порядків величини.

Стійкість до напруги за рахунок діелектричної міцності та порогу пробою

Добре ізоляційні матеріали витримують раптові стрибки напруги, оскільки вони мають так звану високу діелектричну міцність. Це, по суті, означає, якого рівня електричного поля (вимірюється в кіловольтах на міліметр) матеріал здатен витримати, перш ніж повністю вийде з ладу. Більшість поширених матеріалів, таких як скло та силіконова гума, зазвичай витримують напругу в межах від 10 до 40 кВ/мм, що значно перевершує показник звичайного повітря — близько 3 кВ/мм. Коли напруга залишається нижче цих меж, можуть виникати невеликі електричні розряди, але, як правило, вони не призводять до проблем. Однак, як тільки ці порогові значення перевищуються, ситуація швидко погіршується: йони починають множитися неконтрольованим чином, поки матеріал остаточно не руйнується. Саме тому інженери завжди закладають додатковий запас безпеки під час проектування ізоляційних систем, зазвичай розраховуючи експлуатаційні навантаження на рівні приблизно половини максимальної межі, яку здатен витримати матеріал. Це забезпечує запас міцності для непередбачених подій, таких як удар блискавки чи коливання в електричній мережі. І, говорячи про матеріали, їх якість також має велике значення. Навіть незначна кількість вологи, металевих частинок чи бруду на поверхні може знизити діелектричну міцність аж на дві третини, прискорюючи старіння ізоляції та призводячи до її передчасного виходу з ладу.

Запобігання поверхневому пробою: крипажна відстань, забруднення та гідрофобність

Проектування крипажної відстані для збільшення довжини поверхневого шляху витоку

Термін «відстань по поверхні» означає, по суті, найкоротшу траєкторію по поверхні ізолятора, що з’єднує різні підключені до напруги компоненти. Під час проектування таких траєкторій інженери намагаються запобігти утворенню небажаних струмів витоку. Збільшуючи довжину цієї траєкторії, ми фактично підвищуємо поверхневий опір і уповільнюємо можливі перекриття, оскільки електричний струм повинен проходити через більш резистентні шари забруднення. Стандартні організації, такі як IEC 60815, встановлюють мінімально допустимі відстані залежно від ступеня забрудненості конкретного місця. Деякі спеціальні конструкції у формі туману з глибокими ребрами можуть збільшувати фактичну площу поверхні приблизно на 30–40 % порівняно з гладкими поверхнями. Для підстанцій, розташованих безпосередньо біля океану, де сіль осідає всюди, необхідні специфікації відстані по поверхні часто становлять близько 31 мм на кіловольт або більше. Це сприяє збереженню високого рівня експлуатаційних характеристик при одночасному обмеженні габаритів обладнання.

Гідрофобні поверхні та пригнічення провідних шарів забруднення

Властивість відштовхування води запобігає утворенню неперервних провідних плівок на поверхнях ізоляторів. Візьмемо, наприклад, силіконову гуму: на її поверхні розташовані низькоенергетичні метильні групи, які забезпечують кути змочування понад 90 градусів. Через це вода формує краплі замість того, щоб розтікатися по матеріалу. Коли вода не розтікається, забруднювачі також не можуть розчинятися й переміщатися вздовж електролітичних шляхів. Замість цього такі забруднювачі залишаються окремими частинками й не утворюють з’єднання між електродами. Полімерні ізолятори насправді демонструють значно кращі характеристики порівняно з традиційними порцеляновими матеріалами в умовах вологості або забруднення. Деякі надводовідштовхувальні покриття зберігають кути змочування понад 150 градусів. Польові випробування поблизу узбережжя показали, що такі покриття зменшують ризик пробою через забруднення приблизно на дві третини. Отже, гідрофобні властивості працюють на молекулярному рівні разом із покращеннями фізичного дизайну для підвищення ефективності ізоляції.

Шляхи деградації ізоляторів та ранні ознаки відмови

Термічне старіння, ерозія внаслідок часткових розрядів та вплив хімічного забруднення

Ізоляційні матеріали з часом руйнуються через кілька взаємопов’язаних процесів: теплове пошкодження, часткова розрядка та хімічне забруднення поверхонь. Усі ці чинники спільно призводять до погіршення електричних властивостей ізоляторів. Коли температура піднімається вище приблизно 80 °C, матеріал починає руйнуватися швидше. За кожні додаткові 8–10 °C термін служби полімерної ізоляції скорочується наполовину, оскільки молекули починають розпадатися й ставати крихкими. Часткова розрядка утворює мікроканали всередині ізоляції під час локальних малих іскр. У негативних умовах це може зменшити здатність витримувати напругу на 70–90 % лише за кілька місяців. Промислові забруднювачі — такі як сульфати з заводів, сіль у прибережних районах та кислотні дощові води — утворюють провідні шари на поверхнях, що збільшують струми витоку й призводять до небезпечних дуг між сухими ділянками. Ранніми попереджувальними ознаками є струми витоку понад 500 мікроампер, утворення вуглецевих слідів на поверхнях та незвичайні потріскуючі звуки, що походять від обладнання. Стеження за цими сигналами дозволяє виконати ремонт до виникнення аварії, що є особливо важливим у місцях з високою вологістю або забрудненням, де всі компоненти руйнуються в 5–10 разів швидше, ніж за нормальних умов.

Профілактичне управління надійністю ізоляторів

Коли компанії впроваджують проактивні стратегії управління надійністю, вони спостерігають значне зниження неочікуваних відмов обладнання, а також скорочення загальних витрат протягом усього життєвого циклу продукту. Перехід від очікування поломок перед заміною компонентів означає використання таких заходів, як інфрачервоне сканування для виявлення теплових проблем, застосування ультразвукових інструментів для виявлення електричних несправностей та створення карт забруднення за допомогою геоінформаційних систем. Дотримання стандарту PAS 55 сприяє формуванню систематичних процедур моніторингу, у рамках яких техніки щомісячно перевіряють поверхні на наявність ознак зносу чи тріщин, а щоквартально проводять випробування ізоляційних матеріалів, щоб переконатися в їх подальшій придатності. Згідно з дослідженням ARC Advisory Group, опублікованим у 2022 році, такий підхід може скоротити тривалість незапланованих простоїв майже на три чверті. Активи також довше зберігають працездатність, коли графіки технічного обслуговування відповідають реальному стану обладнання, а не загальним, умовним термінам. Інтеграція даних сенсорів щодо ізоляторів у системи технічного обслуговування, орієнтовані на надійність, робить усі ці поточні вимірювання — наприклад, струмів витоку чи змін температури по компонентах — набагато більш корисними. Керівники об’єктів отримують конкретну інформацію, яка точно вказує, коли ремонт потребує уваги, ґрунтуючись на фактичному стані обладнання, а не на припущеннях.