Study of structural degradation of ceramic material of insulators in long term operation

• Autorzy: Ranachowski P. , Rejmund F. , Jaroszewski M. , Wieczorek K.

Warianty tytułu

PL

Badanie degradacji ceramicznego materiału izolatorów po wieloletniej eksploatacji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents ultrasonic method of investigations of long-rod line and post insulators, operated on 110/6 kV power engineering stations. Acoustic measurements were performed directly in place of exploitation for three groups of domestic insulators. They concerned 16 line insulators LP 75/17 from 1970s; 56 post insulators SWZPAK-110 from 1970s and 47 post insulators SWZP4-110/550 from 1980s. Worked out measurement technique enabled assessment of structure degradation degree without troublesome and expensive removal of insulators from operation. Nondestructive measurements were carried out using special apparatus, which was designed and constructed mainly for outdoor testing of operated objects and results were compared with non operated material. There was presented technology of fabrication of ceramic insulators, typical structure of their material and factors influencing operational durability. Experimental method of assessment of insulator material "life time" was described in brief. All insulators were made of electrotechnical porcelain C 120 kind. There were performed detailed microscopic investigation of the material of operated line and post insulators. The results were compared with properties of the new porcelain. There was established correlation between the degree of the material degradation and the parameters of ultrasonic wave propagation and attenuation. Additionally there were used results of acoustic emission investigation of the material samples, which were subjected to slowly increasing compressive stress. On the basis of the study, advancement of ageing degradation of the material and the quality of tested insulators were assessed. It was stated that advancement of aging effects in the material of exploited post insulators and non-operated ones, taken from station reserve, was approximately the same. External operational stresses seriously affected aging of porcelain only in case of the rods of line insulators. Significantly lower quality of post insulators, made in time of economic crisis in 1980s, was established. On the ground of performed study, earlier researches and data from exploitation there was ascertained operational durability as not exceeding 35 years. It concerns insulators made from C 120 kind material, which does not contain significant inhomogeneities or technological defects.

PL

W pracy przedstawione zostały efekty degradacji materiału izolatorów liniowych i wsporczych, które od wielu lat eksploatowane były na stacjach energetycznych 110/6 kV. Pomiary akustyczne przeprowadzone zostały bezpośrednio w eksploatacji na trzech grupach krajowych izolatorów. Obejmowały one 16 izolatorów liniowych LP 75/17 z lat 1970-tych, 56 izolatorów wsporczych SWZPAK-110 z tego samego okresu oraz 47 izolatorów wsporczych SWZP4-110/550 z lat 1980-tych. Opracowana technika pomiarowa pozwala na ocenę stanu tworzywa izolatorowego bez uciążliwego i kosztownego zdejmowania obiektów z linii. Pomiary te mają charakter nieniszczacy i wymagają jedynie krótkotrwałego wyłączenia napięcia z niewielkich odcinków sieci. Badania pracujących obiektów przeprowadzone zostały z wykorzystaniem specjalnego układu pomiarowego i porównane z parametrami nie eksploatowanego materiału. Przedstawiona została technologia produkcji izolatorów, budowa ich tworzywa oraz czynniki mające wpływ na strukturę materiału i jego trwałość eksploatacyjna. Opisano w zarysie eksperymentalna metodę oceny "czasu zycia" tworzywa izolatorów. Wszystkie badane w ramach pracy izolatory wykonane były z porcelany elektrotechnicznej rodzaju C 120. Przedstawiono wyniki badań mikroskopowych i ultradźwiekowych typowego tworzywa nowego oraz izolatorów liniowych i wsporczych po dłuższym okresie eksploatacji. Wykorzystano ponadto wnioski uzyskane w wyniku badań próbek porcelany C 120 metodą wolno narastającego naprężenia ściskającego z jednoczesnym monitorowaniem efektów degradacji technika emisji akustycznej. Stwierdzono, że stopień zaawansowania procesów starzeniowych w porcelanie izolatorów wsporczych, które były w eksploatacji oraz pochodzących z rezerwy stacyjnej – pobranych z magazynów, był bardzo zbliżony. Obciążenia eksploatacyjne w poważnym stopniu wpłynęły jedynie na stan materiału pni izolatorów liniowych. Zaobserwowano wyraźnie niższa jakość izolatorów wsporczych z okresu kryzysowego lat 1980-tych. Obserwacje mikroskopowe pozwoliły na rozpoznanie etapów rozwoju procesów degradacji starzeniowej. Na podstawie przeprowadzonych badań, danych eksploatacyjnych oraz wcześniejszych prac określono trwałość eksploatacyjna izolatorów wykonanych z porcelany elektrotechnicznej rodzaju C 120. Nie przekracza ona 35 lat, pod warunkiem ze izolator nie zawiera poważniejszych niejednorodności lub defektów technologicznych.

Słowa kluczowe

EN

electrotechnical porcelain; long-rod insulators; aging processes; non-destructive ultrasonic testing; microscopic analysis

PL

porcelana elektrotechniczna; izolator długopniowy; starzenie; badanie ultradźwiękowe; analiza mikroskopowa

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 54, iss. 1
• Strony: 205--216
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys.

Twórcy

autor

Ranachowski P.

autor

Rejmund F.

autor

Jaroszewski M.

autor

Wieczorek K.

• INSTITUTE OF FUNDAMENTAL TECHNOLOGICAL RESEARCH PAS, 00-049 WARSZAWA, 21 SWIETOKRZYSKA STR., POLAND

Bibliografia

• [1] W. Carty, U. Senapati, Porcelain - Raw Materials, Processing, Phase Evolution and Mechanical Behavior, J. Am. Ceram. Soc. 81 (1), 3-20 (1998).
• [2] J. Liebermann, Avoiding Quartz in Alumina Porcelain for High-Voltage Insulators, American Ceramic Society Bulletin 80, 6-7, 37-48 (2001).
• [3] D. W. Richerson, Modern Ceramic Engineering, Properties, Processing and Use in Design, CRC Taylor & Francis, Boca Raton London New York (2006).
• [4] J. Migdalski, Engineering of Reliability (Inżynieria niezawodności). ATR Bydgoszcz, ZETOM Warsaw, (1992), in Polish.
• [5] T. Fett, D. Munz, Subcritical Crack Growth of Macrocracks in Alumina with R-curve Behavior. J. Amer. Ceram. Soc. 75, (4), 958-963, (1992).
• [6] P. Ranachoski, F. Rejmund, A. Pawełek, A. Piatkowski, Structural and acoustic investigation of the quality and degradation processes of electrotechnical insulator porcelain under compressive stress, AMAS Workshop on Nondestructive Testing of Materials - NTM’03, 179-196, Warsaw (2003).
• [7] P. Ranachowski, F. Rejmund, J. Fleszynski, Acoustic Method of On-Site Examination of Ceramic Long-Rod Insulators, Engng. Trans. 52, 3, 135-152 (2004).
• [8] Z. Pohl, Outdoor high voltage insulation in electrical engineering (Napowietrzna izolacja wysokonapieciowa w elektroenergetyce), Wrocław Technical University (2003), in Polish.
• [9] J. Bertrand, J. Ranachoski, F. Rejmund, Modern methods of insulators defectiveness detection - comparative assessment of long-rod insulators on the ground of ceramic material testing (Nowoczesne metody wykrywania wadliwosci izolatorów - porównawcza ocena izolatorów długopniowych na podstawie badan tworzywa ceramicznego), 4 studies edited by Institute of Fundamental Technological Research (IFTR) PAS for Institute of Power Engineering, Warsaw, (1984 - 87), in Polish.
• [10] M. Korde k, Z. Pohl, J. Ranachowski, P. Ranachowski, J. Bertrand, J. Bielecki, J. Dziadkowiec, Analysis of usefulness of application porcelain C 130 kind for production of electrotechnical insulators of the highest quality and reliability (Analiza celowosci stosowania porcelany rodzaju C 130 do wytwarzania izolatorów elektrotechnicznych o najwyższym poziomie jakosci i niezawodnosci), study edited by Institute of Power Engineering, Warsaw, (1998), in Polish.
• [11] J. Ranachowski, J. Wehr, Application of Ultrasonic Flaw Detection to Testing of Ceramic High-Voltage Insulators (Zastosowanie defektoskopii ultradzwiekowej do prób ceramicznych izolatorów wysokonapieciowych). Electrotechnical Review (Przeglad elekrotechniczny), 10/11, 689-695, (1955), In Polish.
• [12] I. Malecki, Physical Foundations of Technical Acoustics, Pergamon Press, Oxford - Braunschweig, Chapter 3, (1969).
• [13] J. Ranachowski, Propagation of ultrasonic waves in porous ceramics, Ultrasonics, 203-207, September (1975).
• [14] P. Ranachowski, F. Rejmund, A. Pawełek, A. Piatkowski, Mechanical-Acoustic and Structural Investigations of Degradation Processes of Aluminous Insulator Porcelain C 130 Type, Archives of Metallurgy and Materials 52, 641-654, (2007).
• [15] J. Fleszynski, P. Ranachowski, Z. Ranachowski, F. Rejmund, Ultrasonics non-destructive diagnostics of ceramic line insulators, Insight, 47, 9- September, 530-535, (2005).
• [16] F. Rejmund, P. Ranachowski, A. Gładki, B. Zienkiewicz, Measurements and diagnostic testing of 110 kV insulators on power stations 110/6 kV of O/ZG Lubin KGHM Polish Copper S.A., Expertise of IFTR PAS on order of IEEF of the Wroclaw University of Technology, Warsaw, (2004), in Polish.
• [17] F. Rejmund, P. Ranachowski, B. Zienkiewicz, Expertise concerning homogeneity of structure of different kind of post insulators chosen for tests on power stations 110/6 kV of ZG Rudna KGHM Polish Copper S.A., Expertise of IFTR PAS on order of IEEF of the Wroclaw University of Technology,Warsaw, (2001), in Polish.