Опорний полімерний ізолятор підвищеної надійності
Власники патенту UA 2319242:
Винахід відноситься до електротехніки і стосується опорних та лінійних ізоляторів для високовольтних підстанцій та ліній електропередачі. Опорний ізолятор містить електроізоляційне несуче тіло, захисну трекінгостійку оболонку з ребрами (2) та металеві фланці (1), встановлені на обох торцях ізолятора. Несуче тіло ізолятора виконане у вигляді електроізоляційного склопластикового стрижня (3) та нероз'ємно з'єднаної з ним металевої силової труби (5). Технічним результатом є забезпечення високої механічної та електричної міцності на вигин та кручення, а також високої жорсткості при мінімальних розмірах та масі ізолятора. 1 іл.
Винахід відноситься до електротехніки і стосується опорних ізоляторів високовольтних підстанцій і ліній електропередачі.
Опорний ізолятор - ізолятор, що використовується як жорстка опора для електротехнічного пристрою або окремих його частин.
Фланець - арматура ізолятора, що має отвори, призначені для кріплення струмопровідного елемента, кріплення до фланця іншого ізолятора або об'єкта.
Тіло ізолятора - основа ізоляційної частини ізолятора, що забезпечує його електричну та механічну міцність.
Ребра ізолятора - кільцевий або гвинтовий виступ на тілі ізолятора, призначений для збільшення довжини шляху витоку струму з метою підвищення електричних характеристик.
Трекінгостійка оболонка - оболонка, що оберігає тіло ізолятора від руйнування під впливом кліматичних умов, ерозії і струмів витоку, що протікають по поверхні. Матеріал трекінгостійкої оболонки після часткового вигоряння під дією струму витоку не утворює електропровідних залишків та треку.
Попередній рівень техніки
ОпорніПідстанційні ізолятори є порцеляновим діелектричним стрижнем з ребрами по всій довжині і металевими фланцями на кінцях стрижня з елементами кріплення. Лінійні опорні ізолятори представлені переважно у вигляді порцелянового діелектричного стрижня з ребрами по всій довжині, фланцем для кріплення ізолятора до ВЛЕП і фланцем або місцем для кріплення дроту.
Основними недоліками опорних ізоляторів з фарфору є їхня низька механічна міцність при вигині та крихкість, незадовільна робота в умовах відкритої атмосфери.
Останнім часом замість порцеляни у конструкції ізоляторів застосовується високоміцний матеріал – склопластик. Перевагою полімерних ізоляторів перед фарфорами є їхня стійкість до динамічних ударних навантажень, висока міцність при згині, висока електрична міцність.
Недоліком полімерних ізоляторів є, зокрема, низька жорсткість опорної конструкції ізолятора при дії згинальних навантажень. Склопластик має модуль пружності значно менший, ніж порцеляна, і під навантаженням відбувається його велика деформація без руйнування. По суті, стрижень ізолятора, що несе, веде себе як рибальське вудилище: під дією сили він сильно згинається, але не ламається і не руйнується. Якщо ізолятори встановлені в роз'єднувачі, позитивні сторони ізолятора зі склопластику перетворюються на негативні якості. При великих відхиленнях ізолятора вертикального положення стає неможливо проводити операції «ввімкнення-вимкнення» роз'єднувачів, оскільки стає неможливо звести ножі роз'єднувача разом і здійснити з'єднання електричного кола.
З метою збільшення жорсткості ізоляторів ізоляційні стрижні збільшують у діаметрі до досягнення допустимих величинвідхилення під впливом згинальної сили. ГОСТ Р 52082-03 Полімерні опорні ізолятори зовнішньої установки на напругу 6-220 кВ. ОТУ» встановлює величину відхилення, гранично допустиму для ізолятора 110 кВ за висотою 1100 мм при дії зусилля 1.5 кН не більше 15 мм. Розмір відхилення описується формулою D=F*L/3*E*J, де D - величина відхилення, F - зусилля вигину, L - довжина ізолятора (плечо), Е - модуль пружності, J - коефіцієнт форми, що розраховується як J=3 ,14 * d 4/64. Як видно з формул, величина відхилення обернено пропорційна четвертого ступеня діаметра. Але зі збільшенням діаметра в другій мірі зростає об'єм та маса виробу та дорогих полімерних матеріалів (V=3.14*L*d 2 ). З метою полегшення ізолятора несучий монолітний стрижень у багатьох ізоляторах замінили склопластиковою порожнистою трубою, як, наприклад, в US 2001/0040046 Jun.4, 2001. Але це призводить до можливих пробоїв ізолятора всередині порожнистої труби при конденсації вологи, крім цього, витрата та маса силіконової захисної оболонки при заміні стрижня на трубу не знижується. Також для труб великих діаметрів потрібні металеві фланці великих розмірів. Все це спричиняє досить високу вартість ізолятора. Також треба врахувати погіршення електричних характеристик ізоляторів зі збільшенням розмірів захисних ребер.
Як видно з формули, ще одним способом зменшити прогин ізолятора під дією заданого навантаження є збільшення модуля пружності стрижня ізолятора або виготовлення композитним з декількох матеріалів. Цей спосіб використовується в опорному ізоляторі (UA 2173902, 2001.09.20), тіло якого складається з двох ізоляційних елементів, осьового у вигляді склопластикового прутка та зовнішнього у вигляді труби навколо першого зі склотекстоліту. Це технічне рішення є найбільшблизьким до заявляється і вибрано як прототип. Основним недоліком цих конструкції є наявність двох з'єднаних твердих тіл, що мають різні коефіцієнти теплового розширення. В результаті при різких змінах навколишньої температури можливе розшарування тіла ізолятора і, як наслідок, втрата електроізоляційних властивостей.
Винаходом вирішується завдання створення опорного ізолятора для ізоляції та кріплення струмопровідних частин у розподільних пристроях станцій та підстанцій, який може використовуватися як опорні поворотні ізолюючі елементи, що підтримують струмопровідні шини та ножі роз'єднувачів при експлуатації на відкритому повітрі, а також забезпечення не тільки високої механічної та електричної міцності на вигин та кручення, але й високої жорсткості при мінімальних розмірах та масі ізолятора.
Опис та приклад реалізації
Для вирішення поставленої задачі пропонується опорний ізолятор, що має, принаймні, один елемент, що містить несучий ізоляційний стрижень, стрижня.
З метою збільшення жорсткості силового електроізоляційного стрижня в його конструкцію введена металева труба довжиною не менше ніж 1/3 ізоляційної довжини ізолятора, і не більше H=L-Uф/Eпр, де Н - довжина металевої труби, L - ізоляційна довжина ізолятора, Uф - фазне напруга Епр - електрична міцність склопластикового стрижня. На практиці максимальна довжина вибирається з урахуванням електричної міцності межі розділу "склопластиковий стрижень - захисна оболонка", коефіцієнтів запасу на випадок аварії,коефіцієнтів запасу згідно з вимогами Правил пристроїв електроустановок, електричної міцності захисної оболонки при грозовому імпульсі У будь-якому випадку вона не повинна бути більшою за вказану величину Н, тому що в іншому випадку відбудеться неминучий електричний пробій.
Введення металевої труби в конструкцію тіла ізолятора дозволяє зменшити плече, на якому відбувається згин склопластикового стрижня, і тим самим для досягнення необхідних величин відхилення потрібне застосування склопластикового стрижня меншого діаметра. Одним кінцем труба може контактувати з фланцем, інший кінець труби нероз'ємно з'єднаний з діелектричним склопластиковим стрижнем. З'єднання може бути виконане будь-яким зручним способом: склеювання, обтискання, болтове з'єднання та ін. При цьому довжина діелектричного стрижня повинна бути достатньою, щоб не сталося електричного пробою всередині ізолятора. Зовні все тіло ізолятора від фланця до фланця покрите трекінгостійкою захисною оболонкою із кремнійорганічної гуми. Захисною оболонкою покритий не лише склопластиковий стрижень, а й металева силова труба. Це необхідно для збільшення відстані повітрям між відкритими частинами ізолятора, що знаходяться під різними потенціалами. Також ребра по металевій трубі необхідно для збільшення довжини шляху витоку по поверхні ізолятора, для зниження сили струмів витоку по забрудненій поверхні ізолятора. Товщина захисного покриття з ребрами вибирається достатньою, щоб ізолятор витримував імпульсну розрядну напругу без перекриття повітрям і гумою. Таким чином, внутрішню ізоляцію здійснює діелектричний склопластиковий стрижень. Розрядна напруга повітря витримує повітряний проміжок і шар захисної оболонки. Механічне навантаження несеметалева труба та короткий відрізок склопластикового стрижня. Враховуючи, що модуль пружності стали на кілька порядків вищими, ніж у склопластику, при розрахунках вигин металевої труби істотно менший, ніж відповідний відрізок склопластикового стрижня. В результаті відхилення верхнього фланця ізолятора при додатку навантаження відбувається лише за рахунок вигину склопластикового стрижня. Враховуючи зменшення його довжини у 2 та більше разів, відповідно зменшується відхилення під навантаженням. Тобто при нормованому відхиленні можна домогтися зменшення діаметра склопластикового стрижня та всього ізолятора, а отже, отримати економію на матеріалах та необхідну жорсткість ізолятора.
Короткий опис креслення
1 - металеві фланці,
2 - трекінгостійка оболонка,
3 - електроізоляційний склопластиковий стрижень,
5 – металева силова труба.
На підприємстві-заявнику було спроектовано та виготовлено ізолятори на напругу 220 кВ. До цього часу полімерні ізолятори на таку напругу виготовляли тільки з труби або стрижня діаметром не менше 120 мм. За основу при розробці ізолятора було взято склопластиковий стрижень діаметром 80 мм. Висота ізолятора становить 2200 мм. Металева труба має довжину 1350 мм. Захисна оболонка з ребрами має мінімальну товщину біля металевого стрижня – 20 мм. Електрична міцність ЕПР склопластикового стрижня – 30 кВ/см, захисної силіконової оболонки – 28 кВ/мм. Модуль пружності склопластикового стрижня – 800 МПа, сталі – 9 ГПа. Ізолятори виготовляли в такий спосіб.
Склопластиковий стрижень вставляли в металеву трубу на відстань 2-3 діаметри, проводили радіальне обтиснення круглими матрицями навколо склопластикового стрижня. Після цього наізолятор були надіті стандартні алюмінієві фланці та наклеєні ребра, що становлять захисну оболонку, на всю довжину тіла ізолятора: на склопластиковий стрижень та металеву трубу.
Попередньо перед наклейкою ребер захисної оболонки склопластиковий стрижень та металеву трубу зовні покривали відповідними для кожного матеріалу праймером, для кращої адгезії.
Виготовлена за пропонованим способом партія ізоляторів показала такі результати. Відхилення верхнього фланця ізолятора при додатку перпендикулярного згинального зусилля 1,5 кН склало не більше 20 мм, що є допустимим. При цьому треба врахувати, що ізолятори, виготовлені на трубі 120 мм за традиційною технологією, мали відхилення при цьому зусиллі більше 65 мм і були в 3 рази дорожчими у виготовленні.
Технічний результат застосування заявлених ізоляторів - надійна робота роз'єднувачів та шинних опор в умовах зледеніння, вітрових навантажень, вимкнення та включення під навантаженням. Чітка та швидка робота пристроїв з такими ізоляторами за рахунок їх високої жорсткості та мінімальних відхилень під час роботи. Економічним результатом застосування є зниження собівартості ізоляторів більш ніж утричі за рахунок економії на дорогих матеріалах.
Опорний ізолятор, що містить електроізоляційне несуче тіло, захисну трекінгостійку оболонку з ребрами та металеві фланці, встановлені на обох торцях ізолятора, який відрізняється тим, що несе тіло ізолятора виконано у вигляді нероз'ємно з'єднаного склопластикового стрижня і металевої труби довжиною не менше ізо.