Опорный полимерный изолятор повышенной надежности
Владельцы патента RU 2319242:
Закрытое акционерное общество "Арматурно-изоляторный завод" (RU)
Изобретение относится к электротехнике и касается опорных и линейных изоляторов для высоковольтных подстанций и линий электропередачи. Опорный изолятор содержит электроизоляционное несущее тело, защитную трекингостойкую оболочку с ребрами (2) и металлические фланцы (1), установленные на обоих торцах изолятора. Несущее тело изолятора выполнено в виде электроизоляционного стеклопластикового стержня (3) и неразъемно соединенной с ним металлической силового трубы (5). Техническим результатом является обеспечение высокой механической и электрической прочности на изгиб и кручение, а также высокой жесткости при минимальных размерах и массе изолятора. 1 ил.
Область техники
Изобретение относится к электротехнике и касается опорных изоляторов для высоковольтных подстанций и линий электропередачи.
Термины
Опорный изолятор - изолятор, используемый в качестве жесткой опоры для электротехнического устройства или отдельных его частей.
Фланец - арматура изолятора, имеющая отверстия, предназначенные для крепления токоведущего элемента, крепления к фланцу другого изолятора или объекту.
Тело изолятора - основа изоляционной части изолятора, обеспечивающая его электрическую и механическую прочность.
Ребра изолятора - кольцевой или винтовой выступ на теле изолятора, предназначенный для увеличения длины пути утечки тока с целью повышения электрических характеристик.
Трекингостойкая оболочка - оболочка предохраняющая тело изолятора от разрушения под воздействием климатических условий, эрозии и протекающих по поверхности токов утечки. Материал трекингостойкой оболочки после частичного выгорания под действием тока утечки не образует электропроводящих остатков и трека.
Предшествующий уровень техники
Опорные подстанционные изоляторы представляют собой фарфоровый диэлектрический стержень с ребрами по всей длине и металлическими фланцами на концах стержня с элементами крепления. Линейные опорные изоляторы представлены в основном в виде фарфорового диэлектрического стержня с ребрами по всей длине, фланцем для крепления изолятора к ВЛЭП и фланцем или местом для крепления провода.
Основными недостатками опорных изоляторов из фарфора являются их низкая механическая прочность при изгибе и хрупкость, неудовлетворительная работа в условиях открытой атмосферы.
В последнее время вместо фарфора в конструкции изоляторов применяется высокопрочный материал - стеклопластик. Преимуществом полимерных изоляторов перед фарфоровьми является их устойчивость к динамическим ударным нагрузкам, высокая прочность при изгибе, высокая электрическая прочность.
Известно достаточно много полимерных изоляторов, содержащих несущий стержень, выполненный из стеклопластика, защитную ребристую трекингостойкую оболочку и металлические оконцеватели, например RU 2074425 от 27.02.1997, RU 2233493 от 2004.07.27.
Недостатком полимерных изоляторов является, в частности, низкая жесткость опорной конструкции изолятора при воздействии изгибающих нагрузок. Стеклопластик имеет модуль упругости значительно меньший, чем фарфор, и под нагрузкой происходит его большая деформация без разрушения. В сущности, несущий стержень изолятора ведет себя как рыболовное удилище: под действием силы он сильно изгибается, но не ломается и не разрушается. Если изоляторы установлены в разъединители, положительные стороны изолятора из стеклопластика превращаются в отрицательные качества. При больших отклонениях изолятора вертикального положения становится невозможно производить операции «включения-отключения» разъединителей, так как становится невозможно свести ножи разъединителя вместе и осуществить соединение электрической цепи.
С целью увеличения жесткости изоляторов изоляционные стержни увеличивают в диаметре до достижения допустимых величин отклонения под воздействием изгибающей силы. ГОСТ Р 52082-03 «Полимерные опорные изоляторы наружной установки на напряжение 6-220 кВ. ОТУ» устанавливает величину отклонения, предельно допустимую для изолятора 110 кВ при высоте 1100 мм при воздействии усилия 1.5 кН не более 15 мм. Величина отклонения описывается формулой D=F*L/3*E*J, где D - величина отклонения, F - усилие изгиба, L - длина изолятора (плечо), Е - модуль упругости, J - коэффициент формы, рассчитывающийся как J=3,14*d4/64. Как видно из формул, величина отклонения обратно пропорциональна четвертой степени диаметра. Но с увеличением диаметра во второй степени растет объем и масса изделия и дорогих полимерных материалов (V=3.14*L*d2). В целях облегчения изолятора несущий монолитный стержень во многих изоляторах заменили стеклопластиковой полой трубой, как, например, в US 2001/0040046 Jun.4, 2001. Но это приводит к возможным пробоям изолятора внутри полой трубы при конденсации влаги, кроме этого, расход и масса силиконовой защитной оболочки при замене стержня трубой не снижается. Также для труб больших диаметров требуются металлические фланцы больших размеров. Все это приводит к достаточно высокой стоимости изолятора. Также надо учесть ухудшение электрических характеристик изоляторов при увеличении размеров защитных ребер.
Как видно из формулы, еще одним способом уменьшить прогиб изолятора под действием заданной нагрузки является увеличение модуля упругости стержня изолятора или изготовление его композитным из нескольких материалов. Этот способ используется в опорном изоляторе (RU 2173902, 2001.09.20), тело которого состоит из двух изоляционных элементов, осевого в виде стеклопластикового прутка и наружного в виде трубы вокруг первого из стеклотекстолита. Это техническое решение является наиболее близким к заявляемому и выбрано в качестве прототипа. Основным недостатком этих конструкции является наличие двух соединенных твердых тел, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. В результате при резких сменах окружающей температуры возможно расслоение тела изолятора и, как следствие, потеря электроизоляционных свойств.
Цель изобретения
Изобретением решается задача создания опорного изолятора для изоляции и крепления токоведущих частей в распределительных устройствах станций и подстанций, который может использоваться в качестве опорных поворотных изолирующих элементов, поддерживающих токоведущие шины и ножи разъединителей при эксплуатации на открытом воздухе, а также обеспечение не только высокой механической и электрической прочности на изгиб и кручение, но и высокой жесткости при минимальных размерах и массе изолятора.
Описание и пример реализации
Для решения поставленной задачи предлагается опорный изолятор, имеющий, по крайней мере, один элемент, содержащий несущий изоляционный стержень, защитную трекингостойкую оболочку и металлические оконцеватели, установленные на обоих торцах изолятора, в котором согласно настоящему изобретению несущий изоляционный стержень выполнен составным из металлической трубы и стеклопластикового стержня.
С целью увеличения жесткости силового электроизоляционного стержня в его конструкцию введена металлическая труба длиной не менее 1/3 изоляционной длины изолятора, и не более H=L-Uф/Eпр, где Н - длина металлической трубы, L - изоляционная длина изолятора, Uф - фазное напряжение, Епр - электрическая прочность стеклопластикового стержня. На практике максимальная длина выбирается с учетом электрической прочности границы раздела «стеклопластиковый стержень - защитная оболочка», коэффициентов запаса на случай аварии, коэффициентов запаса согласно требованиям Правил устройств электроустановок, электрической прочности защитной оболочки при грозовом импульсе. В любом случае она не должна быть больше указанной величины Н, так как в противном случае произойдет неминуемый электрический пробой.
Введение металлической трубы в конструкцию тела изолятора позволяет уменьшить плечо, на котором происходит изгиб стеклопластикового стержня, и тем самым для достижения необходимых величин отклонения требуется применение стеклопластикового стержня меньшего диаметра. Одним концом труба может контактировать с фланцем, другой конец трубы неразъемно соединен с диэлектрическим стеклопластиковым стержнем. Соединение может быть выполнено любым удобным способом: склейка, обжатие, болтовое соединение и др. При этом длина диэлектрического стержня должна быть достаточной, чтобы не произошло электрического пробоя внутри изолятора. Снаружи все тело изолятора от фланца до фланца покрыто трекингостойкой защитной оболочкой из кремнийорганической резины. Защитной оболочкой покрыт не только стеклопластиковый стержень, но и металлическая силовая труба. Это необходимо для увеличения расстояния по воздуху между открытыми частями изолятора, находящимися под разными потенциалами. Также оребрение по металлической трубе необходимо для увеличения длины пути утечки по поверхности изолятора, для снижения силы токов утечки по загрязненной поверхности изолятора. Толщина защитного покрытия с ребрами выбирается достаточной, чтобы изолятор выдерживал импульсное разрядное напряжение без перекрытия по воздуху и резине. Таким образом, внутреннюю изоляцию осуществляет диэлектрический стеклопластиковый стержень. Разрядное напряжение по воздуху выдерживает воздушный промежуток и слой защитной оболочки. Механическую нагрузку несет металлическая труба и короткий отрезок стеклопластикового стержня. Учитывая, что модуль упругости стали на несколько порядков выше, чем у стеклопластика, при расчетах изгиб металлической трубы существенно меньше, чем соответствующий отрезок стеклопластикового стержня. В итоге отклонение верхнего фланца изолятора при приложении нагрузки происходит только за счет изгиба стеклопластикового стержня. Учитывая уменьшение его длины в 2 и более раз, соответственно уменьшается отклонение под нагрузкой. То есть при нормированном отклонении можно добиться уменьшения диаметра стеклопластикового стержня и всего изолятора, а значит, получить экономию на материалах и необходимую жесткость изолятора.
Краткое описание чертежа
1 - металлические фланцы,
2 - трекингостойкая оболочка,
3 - электроизоляционный стеклопластиковый стержень,
4 - заполнитель,
5 - металлическая силовая труба.
Реализация изобретения
На предприятии-заявителе были спроектированы и изготовлены изоляторы на напряжение 220 кВ. До сих пор полимерные изоляторы на такое напряжение изготавливали только из трубы или стержня диаметром не менее 120 мм. За основу при разработке изолятора был взят стеклопластиковый стержень диаметром 80 мм. Высота изолятора составляет 2200 мм. Металлическая труба имеет длину 1350 мм. Защитная оболочка с ребрами имеет минимальную толщину около металлического стержня - 20 мм. Электрическая прочность Епр стеклопластикового стержня - 30 кВ/см, защитной силиконовой оболочки - 28 кВ/мм. Модуль упругости стеклопластикового стержня - 800 МПа, стали - 9 ГПа. Изоляторы изготавливали следующим образом.
Стеклопластиковый стержень вставляли в металлическую трубу на расстояние 2-3 диаметра, производили радиальное обжатие круглыми матрицами вокруг стеклопластикового стержня. После этого на изолятор были надеты стандартные алюминиевые фланцы и наклеены ребра, составляющие защитную оболочку, на всю длину тела изолятора: на стеклопластиковый стержень и металлическую трубу.
Предварительно перед наклейкой ребер защитной оболочки стеклопластиковый стержень и металлическую трубу снаружи покрывали соответствующими для каждого материала праймером, для лучшей адгезии.
Изготовленная по предлагаемому способу партия изоляторов показала следующие результаты. Отклонение верхнего фланца изолятора при приложении перпендикулярного изгибающего усилия 1,5 кН составило не более 20 мм, что является допустимым. При этом надо учесть, что изоляторы, изготовленные на трубе 120 мм по традиционной технологии, имели отклонение при этом же усилии более 65 мм и были в 3 раза более дорогими в изготовлении.
Технический результат применения заявленных изоляторов - надежная работа разъединителей и шинных опор в условиях обледенения, ветровых нагрузок, выключения и включения под нагрузкой. Четкая и быстрая работа устройств с такими изоляторами за счет их высокой жесткости и минимальных отклонений при работе. Экономическим результатом применения является снижение себестоимости изоляторов более чем в три раза за счет экономии на дорогостоящих материалах.
Опорный изолятор, содержащий электроизоляционное несущее тело, защитную трекингостойкую оболочку с ребрами и металлические фланцы, установленные на обоих торцах изолятора, отличающийся тем, что несущее тело изолятора выполнено в виде неразъемно соединенного стеклопластикового стержня и металлической трубы длиной не менее 1/3 длины изолятора.
