Опорный полимерный изолятор увеличенной жесткости

Изобретение относится к электротехнике и касается опорных 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 электроизоляционной трубы из эпоксидного связующего (3), армированного высокопрочными стеклянными нитями, причем внутренняя полость трубы заполнена не менее чем на 1/3 часть высокопрочным металлическим стержнем (5), а остальное заполнено диэлектрическим материалом (4). Техническим результатом является обеспечение высокой механической и электрической прочности на изгиб и кручение и 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.

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 фарфоровыми 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.

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 от 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.

Цели 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 композитным из стеклопластиковой трубы, металлического стержня и диэлектрического заполнителя.

С целью увеличения жесткости силового стержня в его конструкцию введен металлический стержень длиной не менее 1/3 изоляционной длины изолятора и не более H=L-Uф/Епр, где Н - длина металлического стержня, L - изоляционная длина изолятора, Uф - фазное напряжение, Епр - электрическая прочность диэлектрического заполнителя или стеклопластиковой трубы, в зависимости от того, какое значение меньше. На практике максимальная длина выбирается с учетом электрической прочности границы раздела «стеклопластиковая труба-заполнитель», 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 металлического стержня внутрь стеклопластиковой трубы позволяет уменьшить плечо, на котором происходит изгиб стеклопластикового стержня, и тем самым для достижения необходимых величин отклонения требуется применение стеклопластиковой трубы меньшего диаметра.

Описание изолятора в статичном положении

Одним концом стержень контактирует с фланцем (1), другой конец стержня (5) находится в электрической изоляции со стороны стеклопластиковой трубы (3) и диэлектрического заполнителя (4). При этом изоляционное расстояние внутри стержня достаточно велико, чтобы не произошло электрического пробоя внутри изолятора. Снаружи весь изолятор покрыт трекингостойкой защитной оболочкой (2) из кремнийорганической резины, а толщина этого покрытия достаточна, чтобы изолятор выдерживал импульсное разрядное напряжение без перекрытия по воздуху и резине.

Описание работы изолятора

Опорный изолятор устанавливают на подстанции в качестве шинной опоры или в составе разъединителя. При работе на изолятор воздействует фазное напряжение электрического тока и механическая сила. Электрическое напряжение воздействует на изолятор следующими способами. Внутреннюю изоляцию осуществляет диэлектрический заполнитель. Изоляционное расстояние через диэлектрический наполнитель между верхним фланцем (1) и силовым стержнем (5) достаточно велико, чтобы при приложении фазного напряжения, а также испытательного импульсного напряжения не происходило пробоя. Диэлектрический наполнитель (4) при этом может быть механически не прочным, но должен иметь высокую электрическую прочность. Например, для изолятора на фазное напряжение 110 кВ и импульсное напряжение 480 кВ, с диэлектрическим наполнителем (4) в виде пенополиуретана, изоляционное расстояние составляет не менее 400 мм. Общая строительная высота изолятора 110 кВ составляет 1100 мм. Это означает, что металлический стержень может иметь высоту не более 700 мм. Электрический пробой может произойти вдоль поверхности изолятора через воздушный промежуток, слой силиконовой оболочки (2), стенку стеклопластиковой трубы (3). Для устранения этой возможности суммарная электрическая прочность расстояния по воздуху, силикону (2), стеклопластику (3) до верхнего конца металлического стержня (5) должна быть выше необходимого значения требуемого импульсного напряжения. Например, для изолятора на фазное 110 кВ и импульсное напряжение 480 кВ, расстояние по воздуху ранее определили - не менее 400 мм (200 кВ), толщина силиконовой оболочки (2) не менее 10 мм (220 кВ), толщина стеклопластиковой трубы (3) не менее 6 мм (60 кВ).

Механическую нагрузку несет металлический стержень (5) и короткий отрезок стеклопластиковой трубы (3). Учитывая, что модуль упругости стали на несколько порядков выше, чем у стеклопластика, при расчетах изгиб металлического стержня можно не принимать во внимание. Свободный короткий отрезок стеклопластиковой трубы (3) под действием рабочей нагрузки имеет значительно меньшие отклонения, чем такая же труба полной длины. Например, изолятор на фазное напряжение 110 кВ имеет общую строительную высоту 1100 мм, а отрезок трубы без металлического стержня - только 400 мм. При воздействии нагрузки на этот изолятор усилием 1.5 кН (150 кгс), приложенной к верхнему фланцу (1) перпендикулярно оси изолятора, фланец отклоняется от оси не более 4 мм. Тогда как без вставленного внутрь трубы (3) стержня фланец изолятора при этом же воздействии отклоняется более 10 мм.

В итоге при неизменных электрических характеристиках достигается увеличенная жесткость изолятора.

Краткое описание чертежей

1 - металлические фланцы

2 - защитная трекингостойкая оболочка с ребрами

3 - электроизоляционная стеклопластиковая труба

4 - диэлектрический заполнитель

5 - высокопрочный металлический стержень

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 была взята стеклопластиковая труба диаметром 80 мм и толщиной стенки 10 мм. Высота изолятора составляет 2200 мм. Металлический стержень имеет длину 1350 мм. Диэлектрический заполнитель в трубе - силиконовая смесь холодного отверждения. Защитная оболочка с ребрами имеет минимальную толщину около стержня - 20 мм. Электрическая прочность Епр стеклопластиковой трубы - 50 кВ/см, защитной силиконовой оболочки - 28 кВ/мм. Модуль упругости стеклопластиковой трубы - 300 МПа, стали - 9 ГПа.

Изоляторы изготавливали следующим образом. Стеклопластиковую трубу внутри покрыли эпоксидным клеевым составом, вставили в трубу металлический стержень (стержень и труба были заранее обработаны с зазором 0.1 мм), после отверждения клея оставшуюся часть трубы заполнили двухкомпонентной силиконовой смесью, которая вулканизировалась при комнатной температуре. После этого на изолятор были надеты стандартные алюминиевые фланцы и наклеены ребра, составляющие защитную оболочку.

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 изолирующей стеклопластиковой трубы с вставленным внутрь ее металлическим стержнем длиной не менее 1/3 длины изолятора и диэлектрического заполнителя, оставшейся полости трубы.